L'interpretazione della meccanica quantistica è il tentativo di definire un quadro coerente delle informazioni che la meccanica quantistica fornisce sugli elementi di realtà del mondo fisico elementare.
Infatti, nonostante la teoria sia stata estensivamente verificata sperimentalmente, alcuni suoi aspetti lasciano spazio a diverse interpretazioni che si differenziano per il significato della funzione d'onda (significato ontico o epistemico e completezza) e per alcuni aspetti riguardanti il determinismo, il realismo, la violazione della località, l'esistenza della funzione d'onda universale, il collasso della funzione d'onda, il ruolo dell'osservatore.
L'argomento è di interesse soprattutto per i filosofi della fisica, ma anche per i fondamenti della disciplina, poiché sulle nuove frontiere della fisica si gioca anche il concetto stesso di ontologia, che si va sempre più configurando come un'ontologia fisica. Molti sono infatti oggi i fisici che fanno filosofia e i filosofi che si occupano di fisica, alimentando un dibattito vivissimo per le questioni onto-fisiche.
Aspetti generali Contesto storico La definizione operativa dei concetti tecnici utilizzati dai ricercatori nella fisica quantistica, come le funzioni d'onda e la meccanica matriciale, è progredita attraverso stadi intermedi. Ad esempio, Erwin Schrödinger immaginò inizialmente che la funzione d'onda associata all'elettrone descrivesse la densità di carica di un oggetto "spalmato" su un ipotetico volume infinito di spazio. Max Born la interpretò invece come la distribuzione di probabilità della posizione dell'elettrone nello spazio. Si tratta di due differenti interpretazioni della funzione d'onda: nella prima è una grandezza fisica "materiale", nell'altra, che alla fine ha prevalso, è una densità di probabilità.
Albert Einstein fu poco propenso ad accettare alcune delle implicazioni della teoria, come la sua indeterminazione e non località. Le problematiche sollevate da Einstein assieme a Boris Podolsky e Nathan Rosen, in quello che è passato alla storia come paradosso EPR, aprirono un dibattito articolato sulle conseguenze e le interpretazioni della teoria che si protrasse per anni anche dopo la morte di Einstein. Uno dei contributi successivi a tale problematica fu nel 1964 il teorema di Bell.
. Questo concetto è spesso espresso con la frase di David Mermin «zitto e calcola», in genere (forse erroneamente) attribuita direttamente a Richard FeynmanPhysics Today May 2004: Could Feynman Have Said This? .
Ostacoli all'interpretazione diretta Le difficoltà di interpretazione riflettono una serie di punti riguardo alla descrizione tradizionale della meccanica quantistica, tra cui: la natura matematica astratta della descrizione della meccanica quantistica; l'esistenza di ciò che sembrano essere processi non deterministici e irreversibili che sembrano in contrasto con la natura lineare e reversibile dell'equazione fondamentale della meccanica quantistica; il fenomeno dell'entanglement quantistico e, in particolare, le correlazioni tra eventi remoti che non sono previste nella teoria classica; la complementarità delle possibili descrizioni della realtà.
In primo luogo, la struttura matematica della meccanica quantistica è basata su matematica piuttosto astratta, come spazi di Hilbert e operatori su di essi. Invece, nella meccanica classica e nell'elettromagnetismo le proprietà di un punto materiale o di un campo sono descritte da numeri reali o funzioni descritte su insiemi a due o tre dimensioni. Tali entità hanno un diretto significato spaziale e quindi sembra esservi una minore necessità di fornirne un'interpretazione.
Inoltre, il processo di misura svolge un ruolo apparentemente essenziale nella teoria, correlando i suoi elementi astratti, come la funzione d'onda, a valori definibili operativamente, come probabilità. La misura interagisce, in modalità particolari, con lo stato del sistema, come verificato nell'esperimento delle due fenditure.
Il formalismo matematico usato per descrivere l'evoluzione temporale di un sistema non relativistico offre due tipi di trasformazioni: trasformazioni reversibili descritte da operatori unitari sullo spazio degli stati. Queste trasformazioni sono determinate dalle soluzioni dell'equazione di Schrödinger; trasformazioni non reversibili e impredicibili descritte da operatori matematici più complessi (operazioni quantistiche). Esempi di tali trasformazioni sono quelle subite da un sistema in seguito ad una misura.
Una versione ridotta del problema dell'interpretazione della meccanica quantistica consiste nel fornire una sorta di quadro plausibile, solamente per il secondo tipo di trasformazione. Questo problema può essere affrontato mediante riduzioni puramente matematiche, ad esempio nell'interpretazione dei molti mondi e da quella delle storie quantistiche consistenti.
In aggiunta alla componente impredicibile ed irreversibile introdotta dai processi di misurazione, vi sono altri elementi della fisica quantistica che la distinguono nettamente dalla fisica classica e non possono essere rappresentati dai modelli di quest'ultima. Uno di questi è il fenomeno di entanglement quantistico, come evidenziato dal paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen.
Un altro ostacolo all'interpretazione diretta è il principio di complementarità che appare violare i principi di base della logica proposizionale. La complementarità stabilisce che non vi è alcuna descrizione logica (secondo la logica proposizionale classica) che può essere usata per illustrare simultaneamente tutte le proprietà di un sistema quantistico S. Questo concetto viene espresso anche affermando che vi sono insiemi complementari A e B di proposizioni che possono descrivere S, ma non contemporaneamente. Esempi di elementi di A e B possono essere proposizioni che coinvolgono rispettivamente una descrizione ondulatoria di S e una descrizione corpuscolare di S. Quest'ultima asserzione è parte dell'originaria formulazione della meccanica quantistica di Niels Bohr, che è spesso fatta coincidere con il principio di complementarità stesso.
In genere, non si attribuisce al principio di complementarità il significato del fallimento della logica classica, anche se Hilary Putnam ha assunto questa posizione nel suo articolo Is logic empirical? (dall'inglese: La logica è empirica?). Piuttosto, la complementarità indica che la composizione delle proprietà fisiche di S (come posizione e momento entrambi definiti in un certo intervallo) non obbedisce alle regole della logica, usando i connettivi proposizionali. Oggi è noto (Omnès, 1999) che l'origine della complementarità sta nella non commutatività degli operatori che descrivono le osservabili in meccanica quantistica.
Stato problematico delle interpretazioni Per ciascuno dei quadri interpretativi, il preciso stato ontologico rimane materia di argomento filosofico.
In altre parole, se si interpreta una struttura formale X della meccanica quantistica mediante i significati di una struttura Y (tramite equivalenza matematica delle due), qual è lo stato di Y? In sostanza è una riproposizione dell'antico concetto di salvare i fenomeni.
Alcuni fisici, ad esempio Asher Peres e Chris Fuchs sostengono che un'interpretazione non è nulla di più di un'equivalenza tra insiemi di regole per operare sui dati sperimentali. Ciò suggerirebbe che l'intera opera di interpretazione non sia necessaria.
Proprietà delle interpretazioni Un'interpretazione può essere classificata sulla base di determinate proprietà che essa possiede o meno, tra cui: Realismo; Completezza; Località; Determinismo.
Per illustrare queste proprietà, è necessario essere più espliciti riguardo al tipo di quadro che un'interpretazione fornisce. A questo fine, si tratterà un'interpretazione come una corrispondenza tra gli elementi di un formalismo matematico M e gli elementi di una struttura interpretativa I, dove: Il formalismo matematico consiste nella struttura dei vettori ket nello spazio di Hilbert, operatori autoaggiunti agenti su di essi, dipendenza temporale dei vettori ket e operazioni di misura. In questo contesto, un'operazione di misura può essere trattata come una trasformazione che porta un vettore ket all'interno una distribuzione di probabilità sui vettori ket. La formalizzazione di questo concetto è definita operazione quantistica. La struttura interpretativa include stati, transizioni di stato, operazioni di misura e eventuali informazioni riguardo all'estensione spaziale di tali elementi. Un'operazione di misura si riferisce ad un'operazione che restituisce un valore e che può causare una possibile variazione di stato. Le informazioni spaziali, ad esempio, potrebbero essere considerate come stati rappresentati da funzioni sullo spazio di configurazione. Le transizioni possono essere non deterministiche o probabilistiche o potrebbero esservi infiniti stati. Ad ogni modo, l'assunzione critica di un'interpretazione consiste nel trattare gli elementi di I come fisicamente reali.
In questo senso, un'interpretazione può essere considerata una semantica per il formalismo matematico. In particolare, la mera visione strumentalista della meccanica quantistica descritta precedentemente non è un'interpretazione, dal momento che non fa affermazioni sulla realtà fisica.
Spesso, si riconduce l'origine dell'uso corrente in fisica di completezza e realismo all'articoloEinstein et al., 1935 che introdusse il paradosso Einstein-Podolsky-Rosen. In tale articolo, gli autori proposero i concetti elemento fisico di realtà e completezza di una teoria fisica. Nonostante non avessero definito lelemento fisico di realtà, fornirono una caratterizzazione sufficiente di esso, cioè una quantità il cui valore può essere predetto con certezza prima di misurarlo o modificarlo in alcun modo. Einstein, Podolsky e Rosen definiscono una teoria fisica completa come una teoria in cui ogni elemento fisico di realtà è tenuto in considerazione da essa. Nella visione semantica dell'interpretazione, un'interpretazione di una teoria è completa se ogni elemento della struttura interpretativa è giustificato dal formalismo matematico. Il realismo è una proprietà di ciascuno degli elementi del formalismo matematico: ogni elemento è reale se corrisponde ad un'altra entità nella struttura interpretativa. Per esempio, in alcune interpretazioni della meccanica quantistica (come la interpretazione a molti mondi) il vettore ket associato allo stato del sistema corrisponde ad un elemento della realtà fisica, mentre in altre no.
Il determinismo è una proprietà che caratterizza le transizioni di stato in funzione del tempo, cioè quando lo stato ad un determinato istante futuro è espresso da funzione dello stato attuale. Può non essere chiaro se una particolare struttura interpretativa sia o meno deterministica, poiché non vi è una scelta univoca del parametro temporale. Inoltre, una data teoria può avere contemporaneamente interpretazioni deterministiche e non.
Il realismo locale consiste in due proprietà: Il valore ottenuto da una misura corrisponde ad un valore di una funzione sullo spazio degli stati, ovvero questo valore è un elemento fisico di realtà. Gli effetti della misura hanno una velocità di propagazione che non supera una costante universale (come ad esempio la velocità della luce). Perché ciò abbia senso, le operazioni di misura, nella struttura interpretativa, devono essere spazialmente localizzate.
La precisa formulazione del realismo locale nei termini di una teoria locale a variabili nascoste è stata proposta da John Bell. Il teorema di Bell e la sua verifica sperimentale restringe i generi di proprietà che una teoria quantistica può avere. Per esempio implica che la meccanica quantistica non possa soddisfare il realismo locale.
Interpretazioni principali Interpretazione statistica