di Gianfranco Costa

Siamo davvero liberi di scegliere? O ciò che definiamo realtà invece è un qualcosa di già deciso e confezionato, già stabilito da leggi fisiche, entità supreme o arcani destini? Sono domande queste che l’umanità da sempre si pone e prova ad analizzare con ostinazione, per tentare di scovare nell’esistente una risposta da scegliere, una tra le molte possibili. Così che, un po’ per le strane temperature di questo anomalo autunno, un po’ per aver studiato ultimamente nuovi testi di divulgazione scientifica, me lo chiedo anch’io (chiedo venia, abbiate pazienza).

Per prima cosa mi piace riassumere in maniera succinta alcune delle varie convinzioni che questa nostra umanità ha sposato a spada tratta nelle varie fasi storiche che si sono avvicendate. Questo perché adoro pensare alla Storia, quella con maiuscola, come al cammino di crescita ed evoluzione che ci caratterizza (ammetto provare a tal proposito certo disagio ascoltando drammatiche interviste improvvisate sul tema “cultura generale” ai bagnanti delle più frequentate spiagge estive: lì ho purtroppo la netta sensazione che 200.000 anni d’evoluzione siano serviti per tornare sull’albero, tra terrapiattisti e persone che definiscono Schrödinger come “un giocatore dell’Atalanta”). Ma voglio essere positivo, per ricominciare l’anno col piede giusto (o almeno ci provo).

Il determinismo

È questa la prima tappa di questo rapido cammino che mi piace ricordare. In questa fase, le importanti scoperte della fisica e della matematica condussero molti a pensare che, se fosse stato possibile conoscere le condizioni iniziali della formazione dell’universo in termini di posizione e momento (per semplificare, diremo “velocità”) di ciascuna sua parte che lo compone, allora avremmo potuto descrivere l’evoluzione dell’intero sistema, sapere tutto di una qualunque porzione di materia in qualunque punto e in qualunque momento.

Questo perché le equazioni differenziali circa il moto, la gravità e le forze che avevamo appena scoperto ci facevano sentire tanto sicuri di noi stessi che il compito sembrava teoricamente possibile. Sicurezza garantita anche dal fatto che pensavamo allora che il tempo e lo spazio fossero grandezze totalmente assolute. Ad esempio spavaldo di questa bonaria presunzione, una delle immagini più simpatiche per quanto mi riguarda è quella del famoso “demone di Laplace”, ovvero un essere immaginario ipotizzato come capace per l’appunto di conoscere posizione e momento di tutte le minuscole parti di materia che compongono l’universo nel suo stato iniziale.

Pensavamo allora che, conoscendo dati, momenti, quantità di moto e caratteristiche di tutte loro avremmo potuto predire lo sviluppo futuro complessivo dell’intero sistema universo. Credevamo che l’esistente fosse una enorme macchina, precisa e perfetta, descrivibile con le nostre equazioni di allora, il cui funzionamento era assolutamente prevedibile.

Un dettaglio di conoscenza come quello del demone di Laplace, essere immaginario pensato per descrivere la complessità della faccenda, è evidentemente fuori della nostra portata, non conosciamo di fatto le condizioni iniziali di ciascuna particella al momento del Big Bang, non le conoscevamo nella fase determinista e probabilmente mai potremo conoscerle.

Però ciò che vorrei sottolineare è che nemmeno è tanto importante sapere se tale creatura esiste o non esiste. Quello che è importante è che se la visione determinista è vera, allora tutto è predeterminato. Il passato, il presente e il futuro sono conseguenza lineare del tipo causa ed effetto, descrivibile tramite formule matematiche. Stelle e pianeti si muoveranno sempre in funzione delle equazioni di cui sopra, come ingranaggi di un enorme apparato di orologeria di enorme precisione.

Questo voleva dunque dire che ben poche alternative avevamo a disposizione se tutto è già scritto precisamente e minuziosamente dalle nostre equazioni differenziali, come descritto dalla fisica. Ciò non vale solo per noi esseri (forse presuntuosamente) autodefiniti superiori. Nemmeno la singola elementare parte di materia ha scampo. Non può decidere nulla, solo è obbligata a seguire le formule che ne descrivono le peculiarità.

Difficile conciliare il concetto di libero arbitrio con il determinismo, dato che il nostro proprio cervello è fatto di componenti materiali relazionati tra loro con un incredibile tasso di complessità ma comunque descrivibili in maniera precisa da questa visione che tutto prestabilisce.

 Qui però è bene sottolineare chiaramente che questa visione non coincide esattamente con ciò che chiamiamo comunemente “destino”. La predicibilità di posizione e velocità di ogni particella non significa che qualcuno o qualcosa ha già deciso che maglietta indosserò dopodomani, né il nome della mia prossima fidanzata. Questo vuol solo dire che possiamo applicare le equazioni differenziali per prevedere la prossima eclissi di sole o per predire quali saranno i gusti di gelato più per la maggiore nel 2030. Cioè vuol dire che la matematica e la sua capacità di creare modelli è adatta come descrittore di ciò che definiamo “realtà”.

È vero però che rispetto all’idea generale di futuro, nel determinismo non c’è alternativa. Quella particella in quel posto e in quell’istante si comporterà così. Punto. Ad ogni modo ciò non equivale a dire che il tempo è un’illusione, ma questo è un altro tema, per il momento lo lascio lì sul tavolo delle riflessioni…

L’anima

Come primo scossone al determinismo mi pare adeguato citare René Descartes, anche conosciuto come Cartesio. Matematico, fisico, scrittore e filosofo, considerato da molti il padre della filosofia moderna e della geometria analitica, uno studio estremamente dettagliato per conoscere i dati che le figure geometriche nascondono in se stesse.

È lui che introduce nel contesto della descrizione della realtà il concetto di anima. Anche se per lui corpo e anima sono entità separate, però il solo fatto di introdurre nel processo descrittivo dell’esistente qualcosa che non è definibile come particella o materia, beh comincia a incrinare abbastanza l’idea determinista. Perché? Perché le equazioni differenziali di cui sopra non la considerano. Non c’è l’anima nelle leggi fisiche, dunque non possiamo predire con loro esattamente l’evolversi di ogni cosa in ogni possibile futuro.

Certo, questo provoca nuove domande. Tanto per cominciare ha senso chiedersi in che punto della catena evolutiva l’anima comincia ad avere effetto. Un gorilla ha un’anima? E un criceto? Un pesce? Una medusa?

Poi (fortunatamente) è arrivata la neuroscienza a confutare il dualismo corpo-anima. Stimolando le opportune aree cerebrali si verificano certe conseguenze e comportamenti.

Tanto per non dilungarmi eccessivamente (ed anche, sinceramente per mancanza di competenza) vorrei sintetizzare questa parte notando che non si tratta più solo di velocità e posizione di una particella ma anche e soprattutto del suo stato e delle sue interazioni con l’intorno. Cresce a dismisura la rete relazionale.

Un altro gran bel colpo alla visione determinista fu assestato pesantemente dalla relatività einsteiniana. Spazio e tempo non sono più concetti in sé assoluti ma variano. Si comportano in modo curioso in funzione degli stati di moto relativo tra fenomeno fisico e osservatore. Effettivamente ciò è destabilizzante parecchio dal punto di vista del comune buon senso. Eppure una certezza ferma, inamovibile e sicura che da ciò deriva, c’è anche nella relatività: la velocità della luce. Non importa come si muovano i vari sistemi di riferimento tra loro, non conta come si espandono o contraggono spazio e tempo. La velocità della luce (nel vuoto) non cambia. Vale “c”. Punto. È bello dopo tanto vagare nelle ipotesi incontrare un punto fermo, non vi pare?

Effettivamente nella relatività di punto fermo ce n’è anche un altro molto importante, uno che normalmente non si sottolinea a dovere: lo spaziotempo è assoluto. Anche se, considerati singolarmente, spazio e tempo si possono dilatare e contrarre in funzione delle velocità relative dei sistemi di riferimento, se però considerati come un tutt’uno, per l’appunto come “spaziotempo” quadridimensionale, allora formano un qualcosa di assoluto, fisso, assolutamente determinato. È il contesto assoluto dell’esistenza dell’universo.

La svolta

Finalmente poi, a dare il colpo di grazia al determinismo arrivò la meccanica quantistica. Tutto cominciò con il principio di indeterminazione di Heisemberg che stabilisce l’impossibilità di conoscere contemporaneamente velocità e posizione di una particella subatomica. Anzi, quanto più aumentiamo la precisione di misura per conoscere una di queste due variabili, tanto più aumenta l’incertezza circa l’altra. Qui è importante notare che non si tratta di un limite tecnologico. Non è che quando avremo a disposizione strumenti tecnologicamente più avanzati potremo allora calcolare entrambe le cose simultaneamente. No, è un limite naturale, una imprescindibile caratteristica della natura, impossibile da valicare, indipendente dalla precisione delle nostre misure.

È con certo dispiacere che così mi tocca congedarmi definitivamente (o quasi) dal demone di Laplace, che tanto simpatico mi risultava. Se infatti non è possibile conoscere contemporaneamente posizione e velocità di una particella subatomica costitutiva della materia ma solo una o l’altra, il povero diavoletto non ha più alcun senso di esistere.

La meccanica quantistica introduce di per sé un certo livello d’incertezza nelle leggi fisiche. A livello subatomico, suo ambito privilegiato d’azione, succedono cose piuttosto stranucce. Tanto per cominciare, al suo livello una particella assume contemporaneamente più stati quantici. Il famoso esperimento del 1801 di Young dimostrò la cosiddetta “dualità onda-particella”. In altri termini, il fotone assume sia lo stato di onda che di particella, simultaneamente. Si definisce questa bizzarra proprietà come “sovrapposizione di stati”.

A complicare poi ulteriormente la cosa, si verificò sperimentalmente in seguito che questa sovrapposizione di stati non è eterna e inamovibile: se osserviamo il fenomeno, allora il proprio osservatore (non necessariamente una persona, quanto piuttosto in senso fisico, ovvero un elettrone, un sensore, un contatore di particelle, etc.) farà evolvere la particella in solo uno dei suddetti stati. Ciò si conosce come “collasso della funzione d’onda”. La particella che normalmente si comporta allo stesso tempo come onda e come propria particella, se osservata collassa in particella materiale. Alcuni azzardano la imprecisa ma impattante esternazione secondo la quale “è l’osservatore che crea la materia in fisica quantistica”. Praticamente la funzione che descrive matematicamente la particella, detta “funzione d’onda”, “collassa” per così dire in uno solo dei suoi possibili stati. Questo sì che è curioso. Lo stesso Einstein non credeva molto inizialmente a tutto questo. Arrivò a dire che preferiva pensare che la luna continuava a stare nello stesso posto anche se lui non la guardava. E pronunciò anche la famosa frase “Dio non gioca a dadi”, sempre a proposito delle stranezze della meccanica quantistica.

Altra stranezza: di cosa è fatta la funzione d’onda? È fatta di probabilità. Descrive quanto è probabile incontrare la particella in un certo punto e con una certa velocità.

Evidentemente, anche se gran parte delle ultime nostre tecnologie come i telefoni cellulari  o i microprocessori devono la loro esistenza proprio alla meccanica quantistica, queste sue caratteristiche sono ben lungi dall’avvicinarsi al comune buonsenso. Eppure è proprio così che funziona il nostro universo.

Sembrerebbe che queste nuove caratteristiche subatomiche, con la loro incertezza, avallino la possibilità di dare senso al libero arbitrio, nel senso che non sono più le equazioni a descrivere e determinare il comportamento di tutto, proprio grazie a questa innata indeterminazione intrinseca alla stessa teoria quantistica. Ma esiste per giunta un rovescio della medaglia.

Di per sé, in quanto cioè equazione, la propria funzione d’onda è deterministica. Anche cioè se in termini probabilistici, però descrive esattamente il comportamento della particella, con le sue strane proprietà. Di più: si appoggia sulla equazione di Schrödinger, anch’essa assolutamente determinista.

A complicare ulteriormente le cose è giunto un recentissimo esperimento a dare un nuovo peso al ruolo di “osservatore”, condotto dall’austriaco Alessandro Fedrizzi (di italiano ha solo il nome). In estrema sintesi l’esperimento ha provato che nulla è quello che è se non in relazione a qualcos’altro che funge da osservatore. E anche questo provoca nuove domande, per esempio chi o cosa è l’osservatore che rende materiale l’intero universo? Anche perché, secondo il suddetto recente esperimento, esiste la possibilità in meccanica quantistica che differenti osservatori trovino risultati diversi e tutti comunque validi conducendo lo stesso esperimento. Solo un “osservatore privilegiato”, in grado cioè di conoscere tutte le possibili, infinite funzioni d’onda sarebbe in grado di definire la vera realtà. Sinceramente il concetto di “osservatore privilegiato” come lo definisce l’autore dell’esperimento, forse perché lo immagino esterno al sistema, mi sembra del tutto fuori dalla nostra portata, essendo noi parte dell’universo che osserviamo. Non nascondo però che l’idea di un super osservatore di livello più alto, magari a noi inaccessibile, che cioè conosca tutti i possibili risultati di un esperimento, la realtà reale, mi ricorda tantissimo il povero demone di Laplace, poverino…

È proprio questo il dilemma: cos’è reale? Come possiamo esercitare il libero arbitrio prendendo decisioni circa qualcosa che può dipendere da come osserviamo?

È un caos. Anzi, a proposito: nemmeno applicare la fisica del caos (utilizzata per esempio nelle previsioni meteorologiche) sembra poter dirimere la matassa. Si applica infatti bene a proposito di sistemi lineari, nei quali una piccola variazione iniziale comporta cambiamenti complessivi contenuti. Ma per descrivere la complessità dell’universo non pare proprio questo il caso: di fatto quella fisica lascia una parte preponderante all’aleatorietà della descrizione probabilistica.

Va bene, considerando allora l’attuale stato dell’arte della nuova fisica, potremmo azzardare una risposta alla domanda circa “cos’è reale”. La più recente interpretazione della fisica si conosce come “teoria quantistica dei campi”. Quelle che siamo abituati a definire “particelle”, sarebbero in effetti niente altro che eccitazioni locali dei relativi campi che le descrivono.

In sostanza non sono quindi né onde, né particelle, quanto piuttosto eccitazioni di campi quantistici, anche se per noi assumono gli stati di onde (quando non le osserviamo) e/o di particelle (quando ficchiamo il naso: licenza – poco – poetica). Nulla a che vedere con l’immagine consueta di quella specie di piccole palle da biliardo che girano attorno ad un nucleo, tipica della meccanica classica. Si tratta piuttosto di una fitta rete di interazioni elementari tra campi quantistici che hanno luogo nello spaziotempo. Perciò la realtà può essere dunque descritta, da questo punto di vista, come l’evoluzione di tali interazioni relative tra campi quantistici. Almeno finché non venga fuori una nuova fisica, cosa che per altro non pare oggi così improbabile.

La situazione è piuttosto confusa, sembra proprio che non se ne esca. A tal proposito credo sia però utile fare alcune considerazioni finali.

– Per prima cosa noi apparteniamo, ovvero siamo immersi nel sistema che tentiamo studiare, il nostro universo. E questo rende il compito molto, molto difficile. Praticamente siamo osservatori di noi stessi (so che qualcuno sta pensando qualcosa del tipo “… allora siamo noi che ci creiamo…”, vero?).

– Alcuni nostri limiti sono invalicabili, come la costante di Plank o il principio d’indeterminazione ci ricordano implacabilmente.

– E se la funzione d’onda collassa quando la osserviamo, come possiamo studiare direttamente qualcosa che osservata smette di esistere?

Mi pare però di poter concludere questa breve e sintetica carrellata almeno con una nota positiva, nonostante l’incertezza, tanto per cercare di non tradire il nobile proposito iniziale: le nostre attuali leggi fisiche non sono per nulla esaustive, perfette e definitive, tutt’altro; c’è infatti molto ancora da investigare e capire. Forse è proprio in questo che consiste la nostra libertà: possiamo liberamente decidere di continuare la ricerca.