Alla scala atomica e subatomica, gli oggetti si comportano in modi che sfidano la visione del mondo classica basata sulle interazioni quotidiane con la realtà macroscopica. Un esempio familiare è la scoperta che gli elettroni possono comportarsi sia come particelle che come onde, a seconda del contesto sperimentale in cui vengono osservati. Per spiegare questo e altri fenomeni, che appaiono contrari alle leggi della fisica ereditate dai secoli precedenti, sono stati proposti modelli autoconsistenti ma con interpretazioni contraddittorie da scienziati come Louis de Broglie (1892-1987), Niels Bohr (1885 -1962), Erwin Schrödinger (1887-1961) e David Bohm (1917-1992), tra gli altri.

Tuttavia, i grandi dibattiti che hanno accompagnato la formulazione della teoria quantistica, coinvolgendo soprattutto Einstein e Bohr, non hanno portato a risultati conclusivi. La maggior parte della prossima generazione di fisici ha optato per equazioni che derivavano da quadri teorici contrastanti senza preoccuparsi molto dei concetti filosofici sottostanti. Le equazioni "funzionavano" e questo era apparentemente sufficiente. Vari artefatti tecnologici che ora sono banali erano basati su applicazioni pratiche della teoria quantistica.

È la natura umana a mettere in discussione tutto, e una domanda chiave che è emersa in seguito è stata perché il comportamento strano, persino controintuitivo, osservato negli esperimenti quantistici non si è manifestato nel mondo macroscopico. Per rispondere a questa domanda, o aggirarla, il fisico polacco Wojciech Zurek ha sviluppato il concetto di "darwinismo quantistico".

In parole povere, l'ipotesi è che l'interazione tra un sistema fisico e il suo ambiente scelga determinati tipi di comportamento e ne escluda altri, e che i tipi di comportamento conservati da questa "selezione naturale" siano proprio quelli che corrispondono alla descrizione classica.

Così, ad esempio, quando qualcuno legge questo testo, i suoi occhi ricevono fotoni che interagiscono con lo schermo del computer o dello smartphone. Un'altra persona, da un punto di vista diverso, riceverà fotoni diversi, ma sebbene le particelle sullo schermo si comportino in modo strano, producendo potenzialmente immagini completamente diverse l'una dall'altra, l'interazione con l'ambiente seleziona un solo tipo di comportamento ed esclude il riposo, in modo che le due letture finiscano per accedere allo stesso testo.

Questa linea di indagine teorica è stata portata avanti, con un grado ancora maggiore di astrazione e generalizzazione, in un articolo del fisico brasiliano Roberto Baldijão pubblicato su Quantum , una rivista peer-reviewed ad accesso aperto per la scienza quantistica e campi correlati.

Il documento riporta i risultati che fanno parte del dottorato di ricerca di Baldijão. ricerca, supervisionata da Marcelo Terra Cunha, professore all'Istituto di Matematica, Statistica e Informatica Scientifica dell'Università di Campinas (IMECC-UUNICAMP) in Brasile.

I coautori dell'articolo includono Markus Müller, che ha supervisionato il tirocinio di ricerca di Baldijão presso l'Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) dell'Accademia austriaca delle scienze a Vienna.

"Il darwinismo quantistico è stato proposto come un meccanismo per ottenere l'obiettività classica a cui siamo abituati dai sistemi intrinsecamente quantistici. Nella nostra ricerca, abbiamo studiato quali principi fisici potrebbero essere alla base dell'esistenza di un tale meccanismo", ha affermato Baldijão.

Nel condurre la sua indagine, ha adottato un formalismo noto come teorie probabilistiche generalizzate (GPT). "Questo formalismo ci consente di produrre descrizioni matematiche di diverse teorie fisiche, e quindi di confrontarle. Ci consente anche di capire quali teorie obbediscono a determinati principi fisici. La teoria quantistica e la teoria classica sono due esempi di GPT, ma possono anche essere molte altre descritto", ha detto.

Secondo Baldijão, lavorare con i GPT è conveniente perché consente di ottenere risultati validi anche se la teoria quantistica deve essere abbandonata a un certo punto. Inoltre, il framework fornisce una migliore comprensione del formalismo quantistico confrontandolo con ciò che non è. Ad esempio, può essere utilizzato per derivare la teoria quantistica da principi fisici più semplici senza assumere la teoria da zero. "Sulla base del formalismo dei GPT, possiamo scoprire quali principi consentono l'esistenza del 'darwinismo' senza dover ricorrere alla teoria quantistica", ha affermato.

Il risultato paradossale a cui arrivò Baldijão nella sua indagine teorica fu che la teoria classica emerge attraverso la "selezione naturale" da teorie con determinate caratteristiche non classiche solo se implicano "entanglement".

"Sorprendentemente, la manifestazione dei comportamenti classici attraverso il darwinismo dipende da una proprietà particolarmente non classica come l'entanglement", ha affermato.

L'entanglement, che è un concetto chiave nella teoria quantistica, si verifica quando le particelle vengono create o interagiscono in modo tale che lo stato quantistico di ciascuna particella non può essere descritto indipendentemente dalle altre ma dipende dall'intero insieme.

L'esempio più famoso di entanglement è l'esperimento mentale noto come EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). Sono necessari alcuni paragrafi per spiegarlo. In una versione semplificata dell'esperimento, Bohm ha immaginato una situazione in cui due elettroni interagiscono e sono poi separati da una distanza arbitrariamente grande, come la distanza tra la Terra e la Luna. Se viene misurato lo spin di un elettrone, può essere ruotato verso l'alto o verso il basso, con entrambi aventi la stessa probabilità. Gli spin degli elettroni finiranno sempre per puntare verso l'alto o verso il basso dopo una misurazione, mai ad un angolo intermedio. Tuttavia, a causa del modo in cui interagiscono, gli elettroni devono essere accoppiati, il che significa che ruotano e orbitano in direzioni opposte, qualunque sia la direzione della misurazione. Non è noto quale dei due sarà spin up o spin down, ma i risultati saranno sempre opposti a causa del loro entanglement.

L'esperimento avrebbe dovuto dimostrare che il formalismo della teoria quantistica era incompleto perché l'entanglement presupponeva che l'informazione viaggiasse tra le due particelle a velocità infinita, cosa impossibile secondo la teoria della relatività. Come potrebbero le particelle lontane "sapere" in che modo ruotare per produrre risultati opposti? L'idea era che le variabili nascoste agissero localmente dietro la scena quantistica e che la visione del mondo classica sarebbe stata confermata se queste variabili fossero state considerate da una teoria più completa.

Albert Einstein morì nel 1955. Quasi un decennio dopo, la sua argomentazione fu più o meno confutata da John Bell (1928-1990), che costruì un teorema per dimostrare che l'ipotesi che una particella abbia valori definitivi indipendentemente dal processo di osservazione è incompatibile con teoria dei quanti, così come l'impossibilità di una comunicazione immediata a distanza. In altre parole, la non località che caratterizza l'entanglement non è un difetto ma una caratteristica fondamentale della teoria quantistica.

Qualunque sia la sua interpretazione teorica, l'esistenza empirica dell'entanglement è stata dimostrata in diversi esperimenti condotti da allora. La conservazione dell'entanglement è ora la sfida principale nello sviluppo dell'informatica quantistica poiché i sistemi quantistici tendono a perdere rapidamente coerenza se interagiscono con l'ambiente. Questo ci riporta al darwinismo quantistico.

"Nel nostro studio, abbiamo dimostrato che se un GPT mostra decoerenza, è perché c'è una trasformazione nella teoria in grado di implementare il processo idealizzato del darwinismo che abbiamo considerato", ha detto Baldijão. "Allo stesso modo, se una teoria ha una struttura sufficiente per consentire un calcolo reversibile, un calcolo che può essere annullato, allora c'è anche una trasformazione in grado di implementare il darwinismo. Questo è molto interessante, considerando le applicazioni computazionali dei GPT."

Come risultato complementare dello studio, gli autori offrono un esempio di "darwinismo non quantistico" sotto forma di estensioni del modello giocattolo di Spekkens, una teoria proposta nel 2004 dal fisico canadese Robert Spekkens, attualmente ricercatore senior presso il Perimeter Institute per la Fisica Teorica a Waterloo, Ontario. Questo modello è importante per l'indagine approfondita dei fondamenti della fisica quantistica perché riproduce molte forme di comportamento quantistico sulla base di concetti classici.

"Il modello non mostra alcun tipo di non località ed è incapace di violare le disuguaglianze di Bell", ha affermato Baldijão. "Dimostriamo che può esibire il darwinismo e questo esempio mostra anche che le condizioni che abbiamo trovato per garantire la presenza del darwinismo - la decoerenza o il calcolo reversibile - sono sufficienti ma non necessarie affinché questo processo avvenga nei GPT".

In qualità di ricercatore principale per il progetto finanziato da FAPESP, Cunha ha affermato:"La teoria quantistica può essere considerata una generalizzazione della teoria della probabilità, ma è ben lungi dall'essere l'unica possibile. Le grandi sfide nel nostro campo di ricerca includono la comprensione delle proprietà che distinguere la teoria classica dalla teoria quantistica in questo oceano di teorie possibili.La tesi di dottorato di Baldijão si proponeva di spiegare come il darwinismo quantistico potrebbe eliminare una delle caratteristiche più chiaramente non classiche della teoria quantistica:la contestualità, che racchiude il concetto di entanglement.

"Durante il suo tirocinio di ricerca con il gruppo di Markus Müller a Vienna, Baldijão ha lavorato su qualcosa di ancora più generale:il processo del darwinismo nelle teorie probabilistiche generali. Le sue scoperte ci aiutano a capire meglio la dinamica di alcuni tipi di teoria, dimostrando che poiché il darwinismo conserva solo il più adatto e quindi crea un mondo classico, non è un processo esclusivamente quantistico". + Esplora ulteriormente

L'entanglement è una caratteristica inevitabile della realtà