Ecco perché la meccanica quantistica non basta per spiegare l’universo

Di tutte le idee rivoluzionarie che la scienza ha esplorato, forse la più bizzarra e controintuitiva è la nozione di meccanica quantistica.

In precedenza, gli scienziati avevano ipotizzato che l’Universo fosse deterministico, nel senso che le leggi della fisica avrebbero consentito di prevedere con perfetta precisione come si sarebbe evoluto qualsiasi sistema nel futuro. Abbiamo ipotizzato che il nostro approccio riduzionista all’Universo – dove abbiamo cercato i più piccoli costituenti della realtà e abbiamo lavorato per comprenderne le proprietà – ci avrebbe portato alla conoscenza ultima delle cose.

Se potessimo sapere di cosa sono fatte le cose e potessimo determinare le regole che le governano, nulla, almeno in linea di principio, andrebbe oltre la nostra capacità di prevedere.

Questa ipotesi è stata rapidamente dimostrata non essere vera quando si tratta dell’Universo quantistico. Quando riduci ciò che è reale ai suoi componenti più piccoli, scopri che puoi dividere tutte le forme di materia ed energia in parti indivisibili: i quanti.

Tuttavia, questi quanti non si comportano più in modo deterministico, ma solo probabilistico. Anche così, tuttavia, rimane ancora un altro problema: gli effetti che questi quanti provocano l’uno sull’altro.

Le nostre nozioni classiche di campi e forze non riescono a catturare gli effetti reali dell’Universo quantomeccanico, dimostrando la necessità che anche loro siano in qualche modo quantizzati. La meccanica quantistica non è sufficiente per spiegare l’Universo; per questo, è necessaria la teoria quantistica dei campi. Ecco perché.

È possibile immaginare un Universo in cui nulla sia quantistico e dove non c’è bisogno di nulla oltre alla fisica della metà-fine del XIX secolo. Puoi dividere la materia in pezzi sempre più piccoli quanto vuoi, senza limiti. In nessun momento incontreresti mai un mattone fondamentale e indivisibile; potresti ridurre la materia in pezzi arbitrariamente piccoli, e se avessi un “divisore” abbastanza forte o affilato a tua disposizione, potresti sempre scomporlo ulteriormente.

All’inizio del XX secolo, tuttavia, questa idea si dimostrò incompatibile con la realtà. La radiazione proveniente da oggetti riscaldati non viene emessa a tutte le frequenze, ma piuttosto viene quantizzata in singoli “pacchetti” contenenti ciascuno una specifica quantità di energia. Gli elettroni possono essere ionizzati solo da luce la cui lunghezza d’onda è più corta (o la frequenza è più alta) di una certa soglia. E le particelle emesse nei decadimenti radioattivi, quando sparate contro un sottile pezzo di lamina d’oro, occasionalmente rimbalzano indietro nella direzione opposta, come se ci fossero “pezzi” duri di materia che quelle particelle non possono attraversare.

La conclusione schiacciante fu che materia ed energia non potevano essere continue, ma piuttosto erano divisibili in entità discrete: i quanti.

L’idea originale della meccanica quantistica è nata con la consapevolezza che l’Universo non può essere del tutto classico, ma piuttosto può essere ridotto in pezzi indivisibili che sembrano giocare secondo proprie regole, a volte bizzarre.

Più abbiamo sperimentato, più di questo comportamento insolito abbiamo scoperto, tra cui:

• il fatto che gli atomi possono assorbire o emettere luce solo a determinate frequenze, insegnandoci che i livelli di energia sono quantizzati,
• che un quanto lanciato attraverso una doppia fenditura mostra un comportamento simile a un’onda, piuttosto che simile a una particella,
• che esiste una relazione di incertezza intrinseca tra certe quantità fisiche, e che misurarne una in modo più preciso aumenta l’incertezza intrinseca nell’altra,
• e che i risultati non sono prevedibili in modo deterministico, ma che possono essere previste solo le distribuzioni di probabilità dei risultati.

Queste scoperte non ponevano solo problemi filosofici, ma anche fisici. Ad esempio, esiste una relazione di incertezza intrinseca tra la posizione e la quantità di moto di qualsiasi quanto di materia o energia. Meglio ne misuri uno, più intrinsecamente incerto diventa l’altro. In altre parole, posizioni e momenti non possono essere considerati esclusivamente una proprietà fisica della materia, ma devono essere trattati come operatori della meccanica quantistica, ottenendo solo una distribuzione di probabilità dei risultati.

Perché questo dovrebbe essere un problema?

Perché queste due quantità, misurabili in qualsiasi istante temporale che scegliamo, hanno una dipendenza dal tempo. Le posizioni che misuri o i momenti che deduci che una particella possiede cambieranno ed evolveranno con il tempo.

Si tratta di qualcosa che di per sé andrebbe bene da sola, ma poi c’è un altro concetto che ci viene dalla relatività speciale: la nozione di tempo è diversa per osservatori diversi, quindi le leggi della fisica che applichiamo ai sistemi devono rimanere relativisticamente invarianti. Dopotutto, le leggi della fisica non dovrebbero cambiare solo perché ti muovi a una velocità diversa, in una direzione diversa o ti trovi in ​​un luogo diverso da dove eri prima.

Come originariamente formulata, la fisica quantistica non era una teoria relativisticamente invariante; le sue previsioni erano diverse per i diversi osservatori. Ci sono voluti anni di sviluppi prima che fosse scoperta la prima versione relativisticamente invariante della meccanica quantistica, cosa che non avvenne fino alla fine degli anni ’20.

Se pensavamo che le previsioni della fisica quantistica originale fossero strane, con il loro indeterminismo e le incertezze fondamentali, da questa versione relativisticamente invariante emerse tutta una serie di nuove previsioni.

• una quantità intrinseca di momento angolare inerente ai quanti, nota come spin,
• momenti magnetici per questi quanti,
• proprietà di struttura fine,
• nuove previsioni sul comportamento delle particelle cariche in presenza di campi elettrici e magnetici,
• e persino l’esistenza di stati energetici negativi, che all’epoca erano un enigma.

In seguito, quegli stati energetici negativi sono stati identificati con un insieme di quanti “uguali e opposti” che hanno dimostrato di esistere: controparti di antimateria alle particelle conosciute. È stato un grande balzo in avanti avere un’equazione relativistica che descrivesse le prime particelle fondamentali conosciute, come l’elettrone, il positrone, il muone e altro ancora.

Tuttavia, questo non poteva spiegare tutto. Il decadimento radioattivo era ancora un mistero. Il fotone aveva le proprietà delle particelle sbagliate e questa teoria potrebbe spiegare le interazioni elettrone-elettrone ma non le interazioni fotone-fotone. Chiaramente, mancava ancora una componente importante della storia.

Ecco un modo per pensarci: immagina un elettrone che viaggia attraverso una doppia fenditura. Se non misuri in quale fenditura passa l’elettrone – e per questi scopi, supponiamo che non lo facciamo – si comporta come un’onda: parte di esso passa attraverso entrambe le fenditure e quei due componenti interferiscono per produrre un modello d’onda.

L’elettrone interferisce in qualche modo con se stesso lungo il suo viaggio e vediamo i risultati di tale interferenza quando rileviamo gli elettroni alla fine dell’esperimento. Anche se inviamo quegli elettroni uno alla volta attraverso la doppia fenditura, quella proprietà di interferenza rimane; è inerente alla natura quantomeccanica di questo sistema fisico.

Ora poniti una domanda su quell’elettrone: cosa succede al suo campo elettrico mentre attraversa le fenditure?

In precedenza, la meccanica quantistica aveva sostituito le nostre nozioni di quantità come la posizione e la quantità di moto delle particelle – che in precedenza erano semplicemente quantità con valori – con quelli che chiamiamo operatori della meccanica quantistica.

Queste funzioni matematiche “operano” su funzioni d’onda quantistiche e producono un insieme probabilistico di risultati per ciò che potresti osservare. Quando fai un’osservazione, cioè fai interagire quel quanto con un altro quanto di cui poi rilevi gli effetti, recuperi solo un singolo valore.

Ma cosa fai quando hai un quanto che genera un campo e quel quanto stesso si comporta come un’onda decentralizzata e non localizzata?

Questo è uno scenario molto diverso da quello che abbiamo considerato nella fisica classica o nella fisica quantistica finora. Non puoi semplicemente trattare il campo elettrico generato da questo elettrone simile a un’onda, diffuso come proveniente da un singolo punto e obbedire alle leggi classiche delle equazioni di Maxwell. Se dovessi mettere giù un’altra particella carica, come un secondo elettrone, dovrebbe rispondere a qualunque strano tipo di comportamento quantistico stia causando questa onda quantistica.

Normalmente, secondo una concezione classica, i campi spingono sulle particelle che si trovano in determinate posizioni e cambiano il momento di ogni particella. Ma se la posizione e la quantità di moto della particella sono intrinsecamente incerte, e se le particelle che generano i campi sono esse stesse incerte nella posizione e nella quantità di moto, allora i campi stessi non possono essere trattati in questo modo: come se fossero una sorta di statico “sfondo” su cui si sovrappongono gli effetti quantistici delle altre particelle.

Se lo facciamo, stiamo cambiando noi stessi, intrinsecamente perdendo la “quantità” dei campi sottostanti.

Questo è stato l’enorme progresso della teoria quantistica dei campi, che non solo ha promosso determinate proprietà fisiche ad essere operatori quantistici, ma ha promosso i campi stessi ad essere operatori quantistici (da qui nasce anche l’idea della seconda quantizzazione: perché non vengono quantizzati solo la materia e l’energia, ma anche i campi).

Improvvisamente, trattare i campi come operatori della meccanica quantistica ha permesso di spiegare un numero enorme di fenomeni già osservati, tra cui:

• creazione e annichilazione particella-antiparticella,
• decadimenti radioattivi,
• tunneling quantistico che porta alla creazione di coppie elettrone-positrone,
• correzioni quantistiche al momento magnetico dell’elettrone.

Con la teoria quantistica dei campi, tutti questi fenomeni hanno ora un senso, e molti altri correlati possono essere previsti, incluso l’eccitante disaccordo moderno tra i risultati sperimentali per il momento magnetico del muone e due diversi metodi teorici per calcolarlo: un non-perturbativo, che concorda con l’esperimento, e uno perturbativo, che non lo fa.

Una delle cose chiave che arriva con la teoria quantistica dei campi che semplicemente non esisterebbe nella normale meccanica quantistica è la possibilità di avere interazioni campo-campo, non solo interazioni particella-particella o particelle-campo.

La maggior parte di noi può accettare che le particelle interagiscano con altre particelle, perché siamo abituati a due cose che si scontrano l’una con l’altra: una palla che si schianta contro un muro è un’interazione particella-particella. La maggior parte di noi può anche accettare che particelle e campi interagiscano, come quando muovi un magnete vicino a un oggetto metallico, il campo attrae il metallo.

Anche se potrebbe sfidare la tua intuizione, l’Universo quantistico non presta molta attenzione a quale sia la nostra esperienza dell’Universo macroscopico. È molto meno intuitivo pensare alle interazioni campo-campo, ma fisicamente sono altrettanto importanti. Senza di essa, non potremmo avere:

• collisioni fotone-fotone, che sono una parte vitale della creazione di coppie materia-antimateria,
• collisioni gluone-gluone, che sono responsabili della maggior parte degli eventi ad alta energia al Large Hadron Collider,
• e avere sia il doppio decadimento beta senza neutrini che il doppio decadimento beta con doppio neutrino, il secondo dei quali è stato osservato e il primo è ancora in fase di ricerca.

L’Universo, a un livello fondamentale, non è fatto solo di pacchetti quantizzati di materia ed energia, ma anche i campi che permeano l’Universo sono intrinsecamente quantistici. Ecco perché praticamente ogni fisico si aspetta pienamente che, a un certo livello, anche la gravitazione debba essere quantizzata.

La Relatività Generale, la nostra attuale teoria della gravità, funziona allo stesso modo di un campo classico vecchio stile: curva lo sfondo dello spazio, e quindi le interazioni quantistiche si verificano in quello spazio curvo. Senza un campo gravitazionale quantizzato, tuttavia, possiamo essere certi che stiamo trascurando gli effetti gravitazionali quantistici che dovrebbero esistere, anche se non siamo sicuri di cosa siano.

Alla fine, abbiamo imparato che la meccanica quantistica è fondamentalmente imperfetta di per sé. Ciò non è dovuto a qualcosa di strano o inquietante che ha portato con sé, ma perché non è abbastanza strana da spiegare i fenomeni fisici che si verificano effettivamente nella realtà.

Le particelle hanno infatti proprietà intrinsecamente quantistiche, ma anche i campi: tutti relativisticamente invarianti. Anche senza un’attuale teoria quantistica della gravità, è quasi certo che ogni aspetto dell’Universo, particelle e campi allo stesso modo, siano essi stessi di natura quantistica.

Che cosa significhi per la realtà, esattamente, è qualcosa che stiamo ancora cercando di capire.