Interpretazione della realtà/Probabilità

Rappresentazione della Terra che influenza la curvatura del grafico spazio-tempo
(deformazione dello spaziotempo causata da una massa planetaria)

Probabilità della realtà

Pertanto, ormai abbiamo stabilito qual è il nostro paradigma regnante e spiegato perché è tempo di rinnovarlo. Abbiamo discusso che ci sono aspetti della nostra realtà che semplicemente non sono in armonia con il modo in cui vediamo il mondo: non c'è una spiegazione scientifica convincente per la coscienza; non capiamo come la funzione cerebrale possa tradursi nell'esperienza di sentirsi qualcuno. Inoltre, la fisica moderna ci dice che il nostro mondo sembra molto diverso su scala subatomica, dove i sistemi quantistici hanno proprietà sia di particelle che di onde e assumono solo l'una o l'altra quando vengono misurati. Abbiamo bisogno di un nuovo paradigma che possa incorporare questi aspetti ancora poco compresi della nostra realtà.

Quale forma dovrebbe assumere allora questo nuovo paradigma? Abbiamo già esaminato che dovrebbe basarsi sul nostro paradigma esistente, ma essere più organico e circolare, e meno atomistico e deterministico. La seconda metà di questo wikilibro esplora i modi in cui la nostra comprensione del mondo sta cambiando. L'obiettivo non è fornire un quadro completo di come sarà la scienza tra 50 anni, piuttosto l'idea è di abbozzare un contorno, con ombre qua e là, lasciando che il lettore scruti attraverso lo specchio e prenda una decisione quanto a ciò che vede. Un punto di partenza ovvio è con la domanda su come il mondo probabilistico dei processi subatomici crei il mondo fisico definitivo che percepiamo intorno a noi.

Probabilità che prendono forma?

Verlinde spiega che il motivo per cui la nostra realtà ci appare molto classica piuttosto che meccanica quantistica – per esempio, in termini di oggetti che hanno posizioni definite – è attraverso un processo chiamato decoerenza. Se ci pensi attentamente, ha anche a che fare con l’entanglement: se qui ho un bit che si trova in una delle due condizioni (0 o 1) e gli avvicino un misuratore, succede che il risultato del bit si intreccia con lo strumento di misura. L'apparato è macroscopico e ha così tante condizioni, tanti 0 e 1, che il piccolo bit non ha più le sue condizioni. Quindi stai invero proiettando la tua misura con l'entanglement. Diventa un singolo sistema e non puoi vedere le altre possibilità: le altre possibilità scompaiono dal sistema.

Paradosso del Gatto di Schrödinger: struttura dell'apparato sperimentale. Apparentemente, il gatto può essere contemporaneamente vivo e morto

Pertanto, quando si esegue una misurazione, l'apparato di misurazione si intreccia (entangles) nel sistema che si sta tentando di misurare. Ma poi ciò fa continuare il problema: se l'apparato si è intrecciato e tu, come sperimentatore, sei fuori dal sistema, non sapresti comunque quale sia stato il risultato della misurazione. Non fintanto che non sei rimasto intrecciato tu stesso. E questo porta a dilemmi come il Gatto di Schrödinger e simili.

Il Gatto di Schrödinger è un famoso esperimento mentale coniato da Erwin Schrödinger nel 1935. Descrive un gatto in una scatola con una fiala di veleno attaccata a un monitor per la radioattività e una sorgente radioattiva. Se il monitor rileva una particella radioattiva, la fiala viene frantumata e il gatto ucciso. Nella meccanica quantistica ortodossa, il gatto è interpretato come essere contemporaneamente morto e vivo finché non si apre la scatola, a quel punto il sistema (gatto) assume l'uno o l'altro valore.

La mia sensazione è che abbiamo una soluzione molto pratica per questo nella fisica quantistica, ma solo se ci pensi filosoficamente: c'è un collasso della funzione d'onda o no? Forse non ci stiamo pensando con il paradigma giusto: sicuramente il mondo è più quantomeccanico di quanto ci rendiamo conto nella nostra vita quotidiana.

Il problema di come la realtà – come la percepiamo secondo la scala della nostra vita quotidiana – emerga da una realtà probabilistica subatomica è qualcosa di cui si discute molto. Come dice Verlinde supra, i fisici quantistici l'hanno spesso descritta come un'onda di probabilità quantistica che collassa quando viene effettuata una misurazione. Eppure, il suo meccanismo è difficile da capire.

Penso che quando osserviamo qualcosa, è nostra esperienza, almeno per un po', l'aver acquisito una data certezza e costanza. Ma poi, di nuovo, abbiamo tutti molta esperienza con il cambiamento, la crescita e il decadimento, la sensazione che nulla rimane per sempre, "pánta rheî". Quindi no, non credo che l'onda collassi in una sorta di singolarità. Non mai. Penso che la realtà continui sempre a essere costruita di possibilità, almeno in un certo senso.

Sembra che questo concetto del collasso della funzione d'onda sia tuttora descritto in termini classici, come se un'onda di possibilità fosse collassata, cessasse di essere possibilità e si attualizzasse in una sorta di certezza, una singolarità. Ma come può mai essere? Per quanto tempo può esistere una tale certezza, visto che non appena qualcosa comincia ad essere, va avanti e cambia di nuovo? L'affermazione data è che la possibilità diventa realtà in quel momento per quel particolare stato. Ma chiaramente qualunque cosa sia collassata, ritorna immediatamente allo stato di funzione d'onda. Sta collassando costantemente. Mentre la metafora di un collasso lo fa sembrare terminale. Per come la vedo io, ciò in cui collassa la funzione d'onda è la nostra esperienza cosciente. Ciascuna delle nostre esperienze coscienti è ciò che sta crollando. E quindi ogni bit di coscienza, se si vuole metterla così, sarebbe un collasso. Pertanto, in questo senso, è un flusso continuo, probabilmente per un tempo molto breve.

Confronto delle concezioni dell'oscillatore armonico classico e quantistico per una singola particella senza spin. I due processi differiscono notevolmente. Il processo classico (A – B) è rappresentato come il moto di una particella lungo una traiettoria. Il processo quantistico (C – H) non ha tale traiettoria. Piuttosto, è rappresentato come un'onda; qui, l'asse verticale mostra la parte reale (blu) e la parte immaginaria (rossa) della funzione d'onda. I pannelli (C – F) mostrano quattro diverse soluzioni di onde stazionarie dell'equazione di Schrödinger. I pannelli (G – H) mostrano inoltre due diverse funzioni d'onda che sono soluzioni dell'equazione di Schrödinger ma non onde stazionarie

L'interpretazione della meccanica quantistica è una discussione secolare. Il nuovo linguaggio dell'informazione che stiamo sviluppando si basa maggiormente sul linguaggio più astratto della meccanica quantistica e non si occupa delle onde. Le onde di probabilità sono state introdotte da Schrödinger per rendere la meccanica quantistica più visiva. Bohr lo descrisse originariamente in termini di stati, in cui si effettuano salti dall'uno all'altro. E per questo non sono necessarie le onde di probabilità.

Ma che tipo di stati?

In realtà l'onda di probabilità non è altro che un modo per descrivere uno stato. Ti dà la probabilità di trovare un certo risultato se fai una certa misurazione. L'onda di probabilità è una misura complessa per misurare la posizione di una particella. Intuitivamente è abbastanza ovvio, ma significa che ci sono molti risultati possibili, perché la particella potrebbe essere ovunque. Quindi devi dare la probabilità di trovarla in ogni luogo. Ma se ho uno 0 e un 1 ci sono solo due possibilità. Quali sono le probabilità di 0? Quali sono le probabilità di 1? È così che l'abbiamo scomposto: abbiamo diviso tutte le probabilità in 0 e 1. Quindi ora, se voglio sapere dove si trova una data particella, posso quantificarla annotandola in numeri che posso costruire sotto forma di 0 e 1. Quindi quello che sto misurando sono i qubit. Questo è il modo in cui penso a un'onda di probabilità: è una raccolta di molti qubit che mi dicono tutti con una certa probabilità se sono uno 0 o un 1. Pertanto, quando individuo la particella, avrò letto tutti quei qubit. Quindi, il linguaggio delle onde di probabilità è quello che applichiamo principalmente alle particelle che si muovono negli atomi, perché lì siamo interessati alla loro posizione.

Pertanto, Schrödinger stava introducendo immagini visive, lo disse lui stesso. Le chiamò "Anschaulichkeit". Aveva problemi con il linguaggio di Heisenberg e Bohr. Fu Heisenberg a descriverle nel modo in cui lo facciamo noi, in termini di stati. Non considerava la particella, pensava solo agli stati dell'atomo. Era un modo astratto di vederlo e gli permetteva di descrivere le transizioni di stato. Bohr gli aveva insegnato a farlo in quel modo. Schrödinger voleva renderlo più visivo e ideò la funzione d'onda. Devo dire che lo trovo un po' frustrante. Trovo la soluzione di Heisenberg più elegante, con stati che passano. È più astratto. Inoltre, penso che l'idea della funzione d'onda abbia confuso molte persone. Ha portato a domande come "ma di cosa è fatta l'onda?" È affascinante che sia in realtà una domanda irrilevante, perché è solo un'immagine visiva. Ma il fatto che l'onda collassi e l'atomo cambi il suo stato sono aspetti meravigliosi della fisica quantistica.

Pertanto, la funzione d'onda e il suo collasso si rivelano una descrizione confusa, un ulteriore esempio di come il linguaggio possa – inavvertitamente – allontanarci dalla comprensione. Tuttavia, rendersi conto di ciò non ci avvicina alla comprensione di come un'osservazione possa portare a una misurazione classica, alla realtà che prende forma.

L'osservatore nel sistema

Andando un passo oltre l'interpretazione succitata di come la realtà è formata da possibilità quantistiche, riserviamo un ruolo per un osservatore cosciente...

Secondo la descrizione di Von Neumann della meccanica quantistica, ci sono due processi in atto e il primo processo ha due parti. Innanzitutto un osservatore umano pone la domanda: "La mia esperienza sarà così e così?" La seconda parte del Processo 1 è ciò che Dirac chiamava una scelta da parte della "natura". Quindi: abbiamo la scelta dell'osservatore di quale domanda porre – "La mia esperienza sarà così e così?" – e poi la natura ha il compito di rispondere alla domanda.

Il Processo 2 è semplicemente l'equazione di Schrödinger, la situazione attuale estrapolata matematicamente in modo meccanico classico a ciò che potrebbe venire dopo. Ma poi se si avesse solo il Processo 2, si genererebbe semplicemente una sequenza (smear) sempre più grande di possibilità. A causa del principio di indeterminazione tutto viene soltanto smeared. Quindi, per legare l'ontologia all'esperienza umana in cui le nostre scelte fanno la differenza, abbiamo anche il Processo 1.

Quindi ciò che accade realmente, durante l'attualizzazione: quando la realtà si forma c'è un'onda di probabilità e poi arriva un istante di attualizzazione e poi non è più un'onda o una potenzialità, quindi è. Ma ciò che è non si riduce mai a un punto. È solo ridotto a qualche segmento di ciò che è venuto prima. Per esempio, diciamo che abbiamo una scatola con dentro una palla, con il coperchio chiuso. In origine, non sappiamo dove si trova la palla nella scatola. Quindi forse è distribuita uniformemente ovunque nella scatola. Allora facciamo la domanda: "Si trova nella parte destra della scatola?" Poniamo la domanda e la natura ha il compito di rispondere alla domanda. E risponderà sì o no. Se la conoscenza originale era che la palla fosse equamente distribuita in tutta la scatola, la probabilità sarebbe una metà. Quindi lo stato originale rappresenta le probabilità.

Probabilità per cosa, ci si potrebbe chiedere? Probabilità che la risposta a qualsiasi domanda sì/no che potrei porre sia determinata. Quindi, la matrice di densità è questa distribuzione di probabilità, di possibilità. Poni la domanda e alla natura viene dato il compito di cambiare il mondo in modo tale che corrisponda alla risposta sì, o di cambiare il mondo in modo tale che corrisponda alla risposta no. La natura è il grande attore in questo gioco. E noi abbiamo un modesto compito del porre una domanda, ma la natura fa il vero lavoro di cambiare il mondo intero. Le altre probabilità vengono eliminate.

Nell'istante in cui è data la risposta, abbiamo una nuova probabilità.

Supponiamo che la palla sia originariamente distribuita uniformemente nella scatola e questo è ciò che sappiamo, questa è la probabilità. Quindi faccio la domanda: "È nella parte destra della scatola?" E poi la natura risponde sì o no. Se la risposta è sì, lo stato di probabilità sarà ridotto e ora è equamente distribuita sulla parte destra ma è svanita dalla sinistra: lì non c'è più probabilità. Collassa quindi in una nuova probabilità. Nella teoria quantistica ortodossa, collassa in una branca o nell'altra a seconda che la risposta sia sì o no. Secondo questa teoria, se la natura dice che la risposta è sì, allora ha l'enorme capacità di obliterare l'altra parte. In questa visione quantistica ortodossa della realtà, la natura è un dio onnipotente. È in dominio assoluto.

Possiamo descrivere come si forma la realtà attraverso un processo in due fasi, che implica l'interazione tra un osservatore e la natura. Esiste una realtà oggettiva o dovremmo prendere in considerazione un osservatore? Penso che in fisica pochissime persone siano attualmente disposte a far dipendere la realtà da chi la vede. Tuttavia, ci sono certamente circostanze in cui dobbiamo tenerlo in considerazione, certamente in cosmologia. Riguarda quello che chiamiamo orizzonte: significa che possiamo osservare un sistema solo fino a un certo punto. I buchi neri hanno un orizzonte, ma anche la cosmologia ce l'ha: possiamo osservare l'universo solo fino a un confine lontano. Oltre a quello, l'universo è per noi invisibile. Con un orizzonte ci sono sempre due prospettive, quella di chi sta da questa parte e quella di chi osa attraversarlo. Ciò porta a due realtà che non devono necessariamente essere descritte allo stesso modo. E questo ha a che fare con noi che tendiamo a descrivere la realtà usando un linguaggio derivato da una interpretazione di ciò che vediamo. Quindi, penso che quando guardiamo al cosmo, descriviamo la realtà in un linguaggio che può essere diverso dal linguaggio in cui è scritta. Significa che stiamo interpretando, traducendo, e ciò significa che dobbiamo tenere conto della prospettiva dell'osservatore. Queste sono discussioni che abbiamo da tempo in meccanica quantistica, con il Gatto di Schrödinger, che è contemporaneamente morto e vivo, e se la luna è lì quando non la guardi; insomma, questo genere di cose. In fisica, di solito interpretiamo tale sorta di formazione della realtà come dovuta alla decoerenza. Tuttavia, a conti fatti, penso che dobbiamo riconoscere che c'è una sorta di dipendenza dall'osservazione.

Perché l'osservatore fa parte del sistema, ovviamente. Ma a volte quando fai una domanda, devi tenere in considerazione chi sta facendo la domanda. In fisica è quasi proibito porre l'uomo al centro dell'universo. È da quando Copernico dimostrò che il sole è al centro del sistema solare. In cosmologia, siamo arrivati ​​al punto di includere nel principio cosmologico che ogni punto del cosmo è equivalente, nel senso che l'intero cosmo è omogeneo. Penso che sia stato un grande salto. Sappiamo dalla meccanica quantistica che l'osservatore influenza ciò che osserva. La sua scelta del momento da misurare, ad esempio, determina l'esito della misurazione. Bene, questo è qualcosa che deve essere preso sul serio all'interno della cosmologia. Dobbiamo renderci conto che siamo l’osservatore centrale, questo ci dice il nostro orizzonte cosmologico: siamo al centro del nostro universo. Lentamente, stiamo guadagnando terreno per portare questo tipo di idee nella fisica, semplicemente perché i problemi sorgono dal non riconoscere tali punti.

Realtà come processo

Riconosco che c'è un problema con la visione classica di una realtà fisica senza alcun ruolo per l'osservatore. Pertanto, sono molto attratto dalle idee di David Bohm: l'ordine implicito e l’Olomovimento, in cui la realtà è un flusso universale, per lo più al di fuori della nostra consapevolezza. Mi piace che il linguaggio della realtà sia un "mare quantico". Dà origine a un'immagine monista neutra della realtà in cui tutto sgorga spontaneamente e si sviluppa una "schiuma quantistica" dove si formano le particelle. Sgorgano, perché ciò è possibile e succede. E così le particelle vengono create costantemente dal nulla. La realtà è espressione di possibilità. L'immagine di "schiuma" suggerisce che lì sta succedendo qualcosa. Non è solo mare, dove c'è calma e non succede nulla. La schiuma suggerisce che il mare quantico è attivo.

Allora, cosa sta succedendo, qual è l'azione?
Penso che alcune cose vengano create dal nulla. Questo è fondamentalmente ciò che sta accadendo. Ed ecco cos'è la roba quantistica: qualcosa dal nulla. Qualcosa dalla possibilità.

Pertanto, la realtà è una possibilità, la realizzazione di una delle tante possibilità. Credo fermamente che la realtà sia aperta, che vada avanti. La realtà ha una direzione in cui va e puoi percepire che ci sono tutti i tipi di possibilità. Penso che questa sia la natura della realtà: la possibilità. Non è un'identità fissa e determinata. Penso che la realtà sia fatta di possibilità. Penso che la realtà sia un processo, un processo in cui le possibilità interagiscono con altre possibilità. Se quelle "altre possibilità" sono per caso un essere umano cosciente, allora insieme si concretizzano nella realtà. No, dovrei dire: si attualizzano nell'esperienza di quell'essere umano che egli considera essere realtà. Quindi, lì c'è una fase di transizione, dalle possibilità all'esperienza. Questo porta a nuove possibilità e così via. Tale processo avviene costantemente a tutti i livelli della natura. La realtà non è esclusivamente un processo umano. Ma poiché gli esseri umani hanno possibilità diverse da, ad esempio, piante o animali, è probabile che realizzino esperienze diverse.

La fisica quantistica descrive che non esiste una realtà materiale oggettiva ma piuttosto stati probabili, possibilità. Quindi, ogni volta che parliamo di materia e oggetti come la materia fondamentale della realtà, pensiamo in modo molto classico. La fisica quantistica mostra che le cose non sono materiali a priori, nemmeno un atomo lo è. Come disse Heisenberg:

« If one wants to give an accurate description of the elementary particle – and here the emphasis is on the word "accurate" – the only thing which can be written down is a probability function. [...] It is a possibility, or a tendency, towards being. »
(Werner Heisenberg, Physics and Philosophy, 1962)

Un "osservatore" può eseguire una "misurazione", che produce un'esperienza — come uno scienziato che misura la qualità di qualcosa e l'esperienza è un'esperienza di "conoscenza". Ma questo stesso processo avviene nella vita di tutti i giorni quando interagisci con il mondo che ti circonda. Le tue misurazioni saranno un po' come sentire la fame o sentirsi spaventati o felici. Oppure come controllare il saldo del tuo conto in banca. Le tue osservazioni sono esperienze. Nella fisica quantistica, l'osservatore è lui stesso un insieme di probabilità, proprio come ogni altra cosa in questo mondo. Quindi, un'osservazione è un'interazione di possibilità con altre possibilità e risulta meramente in nuove possibilità. L'esperienza nella mente dell'osservatore non è definitiva. È nella migliore delle ipotesi un'affermazione con un'alta probabilità. Una tale visione della realtà è molto più fluida, non così fissa e dualistica come il paradigma classico.

Ammettiamolo, quanto sopra sembra inverosimile. Per prima cosa, se la realtà è possibilità che interagiscono con altre possibilità, perché non è completamente casuale? Perché la viviamo come un flusso continuo di eventi? Il Capitolo 6 affronta questo argomento. Prima, però, il Capitolo 5 si occupa di causa ed effetto, il modo classico in cui vediamo le connessioni tra gli eventi.