What is the connection between quantum relationality and symmetry-based relationality?

La fisica è da tempo divisa in due fazioni che sembrano parlare lingue diverse. Da un lato siede la meccanica quantistica, il libro di regole per l'infinitamente piccolo, dove le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente e dove l'atto di osservare qualcosa sembra cambiarne la natura. Dall'altro lato siede la relatività generale, la teoria della gravità e del molto grande, dove lo spazio e il tempo sono flessibili e dove la posizione di un oggetto ha senso solo se confrontata con qualcos'altro. Per decenni, i fisici hanno notato che entrambe le teorie si affidano pesantemente all'idea di "relazionalità" — la nozione che le proprietà non siano fatti assoluti dell'universo, ma piuttosto relazioni tra le cose. Nel mondo della gravità, la posizione di un oggetto è priva di significato senza un punto di riferimento, come un orologio o un punto di riferimento geografico. Nel mondo quantistico, lo stato di una particella dipende spesso da chi la misura. Eppure, nonostante questa comune dipendenza dalle relazioni, le due teorie sono rimaste ostinatamente separate, ed è stato poco chiaro se le loro versioni di "relazionalità" siano effettivamente la stessa cosa o solo una coincidenza di vocabolario.

Un nuovo articolo di Emily Adlam propone un'unificazione audace: che la natura relazionale della meccanica quantistica non sia un'estroversa e singolare stranezza del mondo subatomico, ma sia in realtà esattamente lo stesso fenomeno riscontrato nella relatività. L'autrice suggerisce che il motivo per cui gli stati quantistici sembrano cambiare a seconda dell'osservatore è semplicemente perché descrivono proprietà che sono intrinsecamente relative, proprio come la direzione o la posizione nello spazio. In questa visione, uno stato quantistico non è una descrizione della realtà assoluta di una particella, ma una descrizione di come quella particella si pone in relazione con un sistema di riferimento specifico, proprio come l'ago di una bussola ha senso solo se confrontato con il campo magnetico circostante. Se questa idea dovesse reggere, potrebbe dissolvere alcuni dei misteri più profondi della fisica quantistica, in particolare l'enigma confuso di come una realtà singola e definita emerga da un mondo di possibilità.

Per comprendere l'argomento, bisogna innanzitutto comprendere la differenza tra due tipi di grandezze fisiche. In fisica, alcuni fatti sono assolti e immutabili, mentre altri sono "parziali". Un osservabile parziale è una quantità che può essere misurata, ma che ha senso solo se legata a un riferimento. Ad esempio, dire che un'auto si muove a sessanta miglia orarie è un osservabile parziale; è vero solo rispetto alla strada. La velocità in sé non è una proprietà fissa dell'auto in isolamento. Al contrario, un osservabile "completo" è un fatto pieno e autosufficiente, come la distanza tra l'auto e un albero specifico in un momento specifico. Nella teoria della relatività, i fisici sanno da tempo che possiamo misurare solo osservabili parziali. Non possiamo misurare una velocità assoluta o una direzione assoluta; possiamo solo misurare come le cose si relazionano ai nostri strumenti di misura.

Adlam prende questo fatto stabilito dalla relatività e lo applica al regno quantistico. Sostiene che ogni stato quantistico che abbiamo mai scritto o misurato descrive un osservabile parziale. Quando un fisico scrive lo stato quantistico dello spin di una particella, non sta descrivendo una direzione assoluta in cui lo spin punta nell'universo. Sta invece descrivendo l'orientamento dello spin rispetto a un asse specifico, definito dall'apparato di misura. Il celebre paradosso dell'Amico di Wigner — un esperimento mentale in cui due osservatori discordano sul fatto che una particella sia collassata in uno stato singolo o rimanga in una sovrapposizione — nasce semplicemente perché i due osservatori stanno utilizzando assi di riferimento diversi. Un osservatore sta descrivendo la particella rispetto alla propria attrezzatura di laboratorio, mentre l'altro la descrive rispetto a un telaio diverso. Non c'è contraddizione, sostiene l'autrice, perché entrambi stanno semplicemente riportando relazioni diverse.

L'articolo sostiene questa tesi dimostrando che gli stati quantistici di proprietà varianti per simmetria — proprietà che cambiano quando si ruota o si cambia prospettiva — devono essere sempre relativizzati. Se si tenta di descrivere uno stato quantistico senza un sistema di riferimento, la descrizione diventa un insieme disordinato e incoerente che perde tutta l'informazione specifica sullo stato della particella. Tuttavia, una volta introdotto un sistema di riferimento, come una direzione specifica nello spazio definita da un magnete, lo stato quantistico si cristallizza in una forma chiara e coerente. L'autrice utilizza un quadro teorico sviluppato da altri ricercatori per dimostrare che è matematicamente coerente avere una situazione in cui la relazione tra due sistemi è un fatto definito e non in sovrapposizione, mentre lo stato di un sistema rispetto all'altro appare in una sovrapposizione. Ciò significa che la "stranezza" della sovrapposizione quantistica potrebbe non essere una caratteristica della realtà stessa, ma una caratteristica del modo in cui descriviamo le cose rispetto a un punto di riferimento.

Questa prospettiva offre un nuovo modo di guardare al problema della misura, la lunga difficoltà di spiegare perché vediamo un unico risultato quando un sistema quantistico sembra trovarsi in molti stati. Nella meccanica quantistica standard, la transizione da una sovrapposizione di possibilità a un singolo risultato è spesso descritta come un "collasso" della funzione d'onda, un processo matematicamente brusco e fisicamente misterioso. Adlam suggerisce che questo collasso non sia un evento improvviso e magico, ma una conseguenza naturale dell'interazione tra un osservabile parziale e un sistema di riferimento. Quando un sistema quantistico interagisce fortemente con un dispositivo di misura, il sistema non è più solo una collezione di proprietà relative; esso si intreccia con il sistema di riferimento in un modo che rompe le regole lineari dell'evoluzione quantistica. Il "collasso" è semplicemente il momento in cui l'approssimazione di trattare il sistema come indipendente dal sistema di riferimento fallisce.

L'articolo non pretende di aver risolto interamente il problema della misura. Non fornisce una nuova equazione che predica esattamente quando avviene un collasso, né offre un modello completo del meccanismo fisico che collega il mondo quantistico relativo al mondo classico assoluto. Invece, suggerisce che la soluzione risieda nel riconoscere che la meccanica quantistica si applica solo agli osservabili parziali, mentre gli esiti definiti che vediamo sono osservabili completi. L'autrice sostiene che, poiché possiamo misurare solo osservabili parziali, non abbiamo mai effettivamente visto lo stato quantistico di un osservabile completo. Il comportamento strano della meccanica quantistica, inclusa la capacità di trovarsi in due posti contemporaneamente, si applica solo alle quantità relative e varianti per simmetria. Gli esiti definiti e singoli che sperimentiamo sono i fatti invarianti e completi che emergono quando queste quantità relative sono legate a un sistema di riferimento.

Proponendo che la relazionalità quantistica e la relazionalità relativistica siano una e la stessa cosa, l'articolo colma un divario che ha separato la fisica per un secolo. Suggerisce che l'universo non sia fatto di oggetti assoluti e indipendenti, ma di relazioni. Lo stato quantistico non è un'istantanea dell'anima di una particella, ma una descrizione della sua posizione relativa rispetto all'osservatore. Questa visione non ci richiede di abbandonare l'idea di un mondo reale e oggettivo; piuttosto, inquadra quel mondo come una rete di connessioni. L'articolo conclude che, sebbene sia necessario ulteriore lavoro per descrivere pienamente come queste connessioni si formino e si rompano, la strada da seguire è smettere di cercare stati quantistici assoluti e iniziare a comprendere la natura specifica e relazionale delle quantità che possiamo effettivamente misurare. In questo modo, l'articolo offre una spiegazione silenziosa e logica del perché il mondo quantistico sembri così strano: è strano solo perché stiamo cercando di descrivere cose relative come se fossero assolute.