Multiverso Livello III: I Molti Mondi della Fisica Quantistica

Potrebbe esserci un terzo tipo di mondi paralleli che non sono lontani ma in un certo senso proprio qui. Se le equazioni fondamentali della fisica sono ciò che i matematici chiamano unitarie, come finora sembra essere, allora l'universo continua a ramificarsi in universi paralleli come nel fumetto: ogni volta che un evento quantistico sembra avere un risultato casuale, tutti i risultati in realtà si verificano, uno in ogni ramo. Questo è il multiverso di Livello III. Sebbene più dibattuto e controverso del Livello I e del Livello II, vedremo che, sorprendentemente, questo livello non aggiunge nuovi tipi di universi.

All'inizio del XX secolo, la teoria della meccanica quantistica ha rivoluzionato la fisica spiegando il regno atomico, con applicazioni che vanno dalla chimica alle reazioni nucleari, ai laser e ai semiconduttori. Nonostante gli ovvi successi nella sua applicazione, è seguito un acceso dibattito sulla sua interpretazione — un dibattito che ancora infuria. Nella teoria quantistica, lo stato dell'universo non è dato in termini classici come le posizioni e le velocità di tutte le particelle, ma da un oggetto matematico chiamato funzione d'onda. Secondo la cosiddetta equazione di Schrödinger, questo stato evolve deterministicamente nel tempo in un modo definito unitario, corrispondente a una rotazione nello spazio di Hilbert, lo spazio astratto a infinite dimensioni dove vive la funzione d'onda. La parte complicata è che ci sono funzioni d'onda perfettamente legittime corrispondenti a situazioni classicamente controintuitive come te che sei in due posti diversi contemporaneamente. Peggio ancora, l'equazione di Schrödinger può far evolvere stati classici innocenti in tali stati schizofrenici. Come esempio barocco, Schrödinger ha descritto il famoso esperimento mentale in cui un brutto marchingegno uccide un gatto se un atomo radioattivo decade. Poiché l'atomo radioattivo alla fine entra in una sovrapposizione di decaduto e non decaduto, produce un gatto che è sia morto che vivo in sovrapposizione.

Negli anni '20, questa stranezza fu spiegata postulando che la funzione d'onda “collassasse” in qualche risultato classico definito ogni volta che veniva fatta un'osservazione, con probabilità date dalla funzione d'onda. Einstein era infelice di tale casualità intrinseca nella natura, che violava l'unitarietà, insistendo sul fatto che “Dio non gioca a dadi”, e altri si lamentavano che non ci fosse un'equazione che specificasse quando si verificasse questo collasso. Nella sua tesi di dottorato del 1957, lo studente di Princeton Hugh Everett III mostrò che questo controverso postulato del collasso era inutile. La teoria quantistica prevedeva che una realtà classica si dividesse gradualmente in sovrapposizioni di molte. Mostrò che gli osservatori avrebbero sperimentato soggettivamente questa divisione semplicemente come una leggera casualità, e in effetti con probabilità in esatta accordo con quelle del vecchio postulato del collasso (de Witt 2003). Questa sovrapposizione di mondi classici è il multiverso di Livello III.

Il lavoro di Everett aveva lasciato due domande cruciali senza risposta: prima di tutto, se il mondo contiene effettivamente bizzarre macrosovrapposizioni, allora perché non le percepiamo? La risposta arrivò nel 1970, quando Dieter Zeh mostrò che l'equazione di Schrödinger stessa dà origine a un tipo di effetto di censura (Zeh 1970). Questo effetto divenne noto come decoerenza e fu elaborato in grande dettaglio da Wojciech Zurek, Zeh e altri nei decenni successivi. Si scoprì che le sovrapposizioni quantistiche coerenti persistevano solo finché venivano tenute segrete al resto del mondo. Una singola collisione con un fotone ficcanaso o una molecola d'aria è sufficiente per garantire che i nostri amici nella Figura 5 non possano mai essere consapevoli delle loro controparti nella linea narrativa parallela. Una seconda domanda senza risposta nell'immagine di Everett era più sottile ma altrettanto importante: quale meccanismo fisico seleziona stati approssimativamente classici (con ogni oggetto in un solo posto, ecc.) come speciali nello spazio di Hilbert vertiginosamente grande? La decoerenza rispose anche a questa domanda, mostrando che gli stati classici sono semplicemente quelli più robusti contro la decoerenza. In sintesi, la decoerenza sia identifica gli universi paralleli di Livello III nello spazio di Hilbert sia li delimita l'uno dall'altro. La decoerenza è ora abbastanza incontroversa ed è stata misurata sperimentalmente in una vasta gamma di circostanze. Poiché la decoerenza per tutti gli scopi pratici imita il collasso della funzione d'onda, ha eliminato gran parte della motivazione originale per la meccanica quantistica non unitaria e ha reso l'interpretazione cosiddetta a molti mondi di Everett sempre più popolare. Per i dettagli su queste questioni quantistiche, vedere Tegmark & Wheeler (2001) per un resoconto divulgativo e Giulini et al. (1996) per una rassegna tecnica.

Se l'evoluzione temporale della funzione d'onda è unitaria, allora il multiverso di Livello III esiste, quindi i fisici hanno lavorato duramente per testare questa cruciale ipotesi. Finora, non sono state trovate deviazioni dall'unitarietà. Negli ultimi decenni, notevoli esperimenti hanno confermato l'unitarietà per sistemi sempre più grandi, tra cui il robusto atomo di carbonio-60 “Buckey Ball” e sistemi di fibre ottiche di dimensioni chilometriche. Sul lato teorico, un argomento principale contro l'unitarietà ha coinvolto la possibile distruzione di informazioni durante l'evaporazione dei buchi neri, suggerendo che gli effetti quantistico-gravitazionali siano non unitari e facciano collassare la funzione d'onda. Tuttavia, una recente svolta nella teoria delle stringhe nota come corrispondenza AdS/CFT ha suggerito che anche la gravità quantistica è unitaria, essendo matematicamente equivalente a una teoria dei campi quantistici a dimensioni inferiori senza gravità (Maldacena 2003).

Quando si discute di universi paralleli, dobbiamo distinguere tra due modi diversi di vedere una teoria fisica: la visione esterna o la prospettiva a volo d'uccello di un matematico che studia le sue equazioni matematiche fondamentali e la visione interna o la prospettiva della rana di un osservatore che vive nel mondo descritto dalle equazioni. Dalla prospettiva a volo d'uccello, il multiverso di Livello III è semplice: c'è solo una funzione d'onda, ed evolve in modo fluido e deterministico nel tempo senza alcun tipo di divisione o parallelismo. Il mondo quantistico astratto descritto da questa funzione d'onda in evoluzione contiene al suo interno un vasto numero di linee narrative classiche parallele, che si dividono e si fondono continuamente, così come una serie di fenomeni quantistici che mancano di una descrizione classica. Dalla sua prospettiva di rana, tuttavia, ogni osservatore percepisce solo una piccola frazione di questa piena realtà: può vedere solo il suo volume di Hubble (Livello I) e la decoerenza le impedisce di percepire copie parallele di se stessa di Livello III. Quando le viene posta una domanda, prende una decisione rapida e risponde, gli effetti quantistici a livello neuronale nel suo cervello portano a molteplici risultati, e dalla prospettiva a volo d'uccello, il suo singolo passato si ramifica in molteplici futuri. Dalle loro prospettive di rana, tuttavia, ogni copia di lei non è consapevole delle altre copie, e percepisce questa ramificazione quantistica semplicemente come una leggera casualità. Successivamente, ci sono a tutti gli effetti pratici molteplici copie di lei che hanno esattamente gli stessi ricordi fino al punto in cui risponde alla domanda.

*** Infatti, l'immagine mentale standard di ciò che è il mondo fisico corrisponde a un terzo punto di vista intermedio che potrebbe essere definito la visione di consenso. Dalla tua prospettiva di rana percepita soggettivamente, il mondo si capovolge quando stai in piedi sulla testa e scompare quando chiudi gli occhi, eppure inconsciamente interpreti i tuoi input sensoriali come se ci fosse una realtà esterna che è indipendente dal tuo orientamento, dalla tua posizione e dal tuo stato d'animo. È sorprendente che, sebbene questa terza visione implichi sia la censura (come rifiutare i sogni), l'interpolazione (come tra i battiti di ciglia) sia l'estrapolazione (diciamo attribuire esistenza a città invisibili) della tua visione interna, osservatori indipendenti sembrano comunque condividere questa visione di consenso. Sebbene la visione interna appaia in bianco e nero a un gatto, iridescente a un uccello che vede quattro colori primari, e ancora più diversa a un'ape che vede la luce polarizzata, un pipistrello che usa il sonar, una persona cieca con un tocco e un udito più acuti, o l'ultimo aspirapolvere robotico troppo caro, tutti concordano sul fatto che la porta sia aperta. La sfida chiave attuale nella fisica è derivare questa visione di consenso semiclassica dalle equazioni fondamentali che specificano la prospettiva a volo d'uccello. A mio parere, questo significa che sebbene comprendere la natura dettagliata della coscienza umana sia una sfida importante a sé stante, non è necessario per una teoria fondamentale della fisica.

Per quanto strano possa sembrare, la Figura 5 illustra che questa stessa situazione si verifica anche nel multiverso di Livello I, l'unica differenza è dove risiedono le sue copie (altrove nel buon vecchio spazio tridimensionale invece che altrove nello spazio di Hilbert a infinite dimensioni, in altri rami quantistici). In questo senso, il Livello III non è più strano del Livello I. Infatti, se la fisica è unitaria, allora le fluttuazioni quantistiche durante l'inflazione non hanno generato condizioni iniziali uniche attraverso un processo casuale, ma piuttosto hanno generato una sovrapposizione quantistica di tutte le possibili condizioni iniziali simultaneamente, dopo di che la decoerenza ha fatto sì che queste fluttuazioni si comportassero essenzialmente in modo classico in rami quantistici separati. La natura ergodica di queste fluttuazioni quantistiche (Sezione I B) implica quindi che la distribuzione dei risultati in un dato volume di Hubble a Livello III (tra diversi rami quantistici come nella Fig. 3) è identica alla distribuzione che si ottiene campionando diversi volumi di Hubble all'interno di un singolo ramo quantistico (Livello I). Se le costanti fisiche, la dimensionalità dello spazio-tempo, ecc. possono variare come nel Livello II, allora varieranno anche tra rami quantistici paralleli a Livello III. La ragione di ciò è che se la fisica è unitaria, allora il processo di rottura spontanea della simmetria non produrrà un risultato unico (sebbene casuale), ma piuttosto una sovrapposizione di tutti i risultati che si decoerono rapidamente in rami di Livello III separati a tutti gli effetti pratici. In breve, il multiverso di Livello III, se esiste, non aggiunge nulla di nuovo oltre al Livello I e al Livello II — solo più copie indistinguibili degli stessi universi, le stesse vecchie linee narrative che si ripetono più e più volte in altri rami quantistici. Postulare un effetto non unitario ancora invisibile per sbarazzarsi del multiverso di Livello III, con il Rasoio di Ockham in mente, quindi non renderebbe Ockham più felice.

L'appassionato dibattito sugli universi paralleli di Everett che infuria da decenni sembra quindi volgere a un grande anticlimax, con la scoperta di un multiverso meno controverso che è altrettanto grande. Questo ricorda il famoso dibattito Shapley-Curtis degli anni '20 sul fatto che ci fossero davvero una moltitudine di galassie (universi paralleli secondo gli standard dell'epoca) o solo una, una tempesta in una tazza da tè ora che la ricerca si è spostata su altri ammassi di galassie, superammassi e persino volumi di Hubble. Col senno di poi, sia le controversie Shapley-Curtis che Everett sembrano decisamente antiquate, riflettendo la nostra riluttanza istintiva ad ampliare i nostri orizzonti.

Un'obiezione comune è che la ramificazione ripetuta aumenterebbe esponenzialmente il numero di universi nel tempo. Tuttavia, il numero di universi N potrebbe benissimo rimanere costante. Con il numero di “universi” N, intendiamo il numero che sono indistinguibili dalla prospettiva della rana (dalla prospettiva dell'uccello, ce n'è ovviamente solo uno) in un dato istante, cioè il numero di volumi di Hubble macroscopicamente diversi. Sebbene ce ne sia ovviamente un numero vasto (immagina di spostare i pianeti in nuove posizioni casuali, immagina di esserti sposato con qualcun altro, ecc.), il numero N è chiaramente finito — anche se distinguiamo pedantemente i volumi di Hubble a livello quantistico per essere eccessivamente conservativi, ci sono “solo” 115 circa 1010 con temperatura inferiore a 108 K come dettagliato sopra. La fluida evoluzione unitaria della funzione d'onda nella prospettiva dell'uccello corrisponde a uno scorrimento infinito tra queste N istantanee dell'universo classico dalla prospettiva della rana di un osservatore. Ora sei nell'universo A, quello in cui stai leggendo questa frase. Ora sei nell'universo B, quello in cui stai leggendo quest'altra frase. In altre parole, l'universo B ha un osservatore identico a uno nell'universo A, tranne che con un istante extra di ricordi. Nella Figura 5, il nostro osservatore si trova prima nell'universo descritto nel pannello di sinistra, ma ora ci sono due diversi universi che si colleganoFluidamente ad esso come B ha fatto ad A, e in entrambi questi, non sarà consapevole dell'altro. Immagina di disegnare un punto separato corrispondente a ogni possibile universo e di disegnare frecce che indicano quali si collegano a quali nella prospettiva della rana. Un punto potrebbe portare univocamente a un altro punto o a diversi, come sopra. Allo stesso modo, diversi punti potrebbero portare a uno e allo stesso punto, poiché potrebbero esserci molti modi diversi in cui certe situazioni potrebbero essersi verificate. Il multiverso di Livello III implica quindi non solo rami di divisione ma anche rami di fusione.

L'ergodicità implica che lo stato quantistico del multiverso di Livello III sia invariante rispetto alle traslazioni spaziali, che è un'operazione unitaria proprio come la traslazione temporale. Se è invariante anche rispetto alla traslazione temporale (questo può essere organizzato costruendo una sovrapposizione di un insieme infinito di stati quantistici che sono tutti diverse traslazioni temporali di uno e dello stesso stato, in modo che un Big Bang avvenga in tempi diversi in diversi rami quantistici), allora il numero di universi rimarrebbe automaticamente esattamente costante. Tutte le possibili istantanee dell'universo esisterebbero in ogni istante, e il passare del tempo sarebbe solo negli occhi di chi guarda — un'idea esplorata nel romanzo di fantascienza “Permutation City” (Egan 1995) e sviluppata da Deutsch (1997), Barbour (2001) e altri.

Il dibattito su come la meccanica classica emerge dalla meccanica quantistica continua, e la scoperta della decoerenza ha dimostrato che c'è molto di più che semplicemente lasciare che la costante di Planck h̄ si restringa a zero. Tuttavia, come illustra la Figura 7, questa è solo una piccola parte di un puzzle più grande. Infatti, l'infinito dibattito sull'interpretazione della meccanica quantistica — e anche la questione più ampia degli universi paralleli — è in un certo senso la punta di un iceberg. Nella parodia di fantascienza “Guida galattica per autostoppisti”, si scopre che la risposta è “42”, e la parte difficile è trovare la vera domanda. Le domande sugli universi paralleli possono sembrare essere profonde quanto le domande sulla realtà. Eppure c'è una domanda sottostante ancora più profonda: ci sono due paradigmi sostenibili ma diametralmente opposti riguardo alla realtà fisica e allo status della matematica, una dicotomia che risale probabilmente a Platone e Aristotele, e la domanda è quale sia corretto.

• PARADIGMA ARISTOTELICO: La prospettiva della rana percepita soggettivamente è fisicamente reale, e la prospettiva dell'uccello e tutto il suo linguaggio matematico è semplicemente un'approssimazione utile.
• PARADIGMA PLATONICO: La prospettiva dell'uccello (la struttura matematica) è fisicamente reale, e la prospettiva della rana e tutto il linguaggio umano che usiamo per descriverla è semplicemente un'approssimazione utile per descrivere le nostre percezioni soggettive.

Cosa è più fondamentale — la prospettiva della rana o la prospettiva dell'uccello? Cosa è più fondamentale — il linguaggio umano o il linguaggio matematico? La tua risposta determinerà come ti senti riguardo agli universi paralleli. Se preferisci il paradigma platonico, dovresti trovare i multiversi naturali, poiché la nostra sensazione che, ad esempio, il multiverso di Livello III sia “strano” riflette semplicemente che le prospettive della rana e dell'uccello sono estremamente diverse. Rompiamo la simmetria chiamando quest'ultimo strano perché siamo stati tutti indottrinati con il paradigma aristotelico da bambini, molto prima di aver sentito parlare di matematica - la visione platonica è un gusto acquisito!

Nel secondo caso (platonico), tutta la fisica è in definitiva un problema di matematica, poiché un matematico infinitamente intelligente a cui siano date le equazioni fondamentali del cosmo potrebbe in linea di principio calcolare la prospettiva della rana, cioè calcolare quali osservatori autocoscienti conterrebbe l'universo, cosa percepirebbero e quale linguaggio inventerebbero per descrivere le loro percezioni l'uno all'altro. In altre parole, c'è una “Teoria del Tutto” (TOE) in cima all'albero nella Figura 7 i cui assiomi sono puramente matematici, poiché i postulati in inglese riguardanti l'interpretazione sarebbero derivabili e quindi ridondanti. Nel paradigma aristotelico, d'altra parte, non ci può mai essere una TOE, poiché si sta in definitiva solo spiegando certe affermazioni verbali con altre affermazioni verbali — questo è noto come il problema della regressione infinita (Nozick 1981).