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QUANTUM COMPUTING CHIP, UN CHIP PER UNA COMUNICAZIONE ULTRA-SICURA ALLA PORTATA DI TUTTI

Di Francesca Damiani
È la scoperta annunciata pochi giorni fa sulla rivista Science da parte di un team di ricercatori diretti da David Moss, direttore del Centro di Micro-Fotonica alla Swinburne University of Technology, e da Roberto Morandotti, dell'Istituto Nazionale per la Ricerca Scientifica di Montreal. 




Il "quantum computing chip" si distingue per la complessità senza precedenti. Il principio alla base è quello dell'entanglement quantistico, per cui due particelle, in questo caso fotoni, che hanno interagito tra loro, continuano ad influenzare i reciproci stati anche dopo essere state separate. 
La struttura del chip implica centinaia di livelli paralleli in cui vengono prodotte simultaneamente coppie di fotoni entangled. Nell'ambito delle telecomunicazioni, questo comporta una sicurezza estremamente elevata. Si prevedono possibili applicazioni nell'informazione quantistica e nell'ambito della microscopia. 
Ma non è tutto: il processo di creazione del "quantum computing chip" è compatibile con quello utilizzato nella comune industria di computer, cosicchè un'ulteriore applicazione di questa sofisticata tecnologia potrebbe essere rappresentata da laptop e smartphone, oggetti di uso quotidiano.
Finalmente una scoperta avanzata di cui potranno beneficiare tutti i comuni mortali. 

La Teoria del Tutto


Una teoria del tutto, conosciuta anche come TOE (acronimo dell'inglese theory of everything), è una ipotetica teoria della fisica teorica che spiega interamente e collega assieme tutti i fenomeni fisici conosciuti.
Inizialmente il termine fu usato con connotazione ironica per riferirsi alle varie teorie supergeneralizzate. Per esempio, un bisnonno di Ijon Tichy — un personaggio di una serie di storie di fantascienza di Stanisław Lem degli anni sessanta — era risaputo al lavoro sulla "Teoria Generale del Tutto". Il fisico John Ellis afferma[1] di aver introdotto il termine nella letteratura tecnica in un articolo della rivista Nature nel 1986.[2] Nel tempo, il termine si fissò nelle popolarizzazioni della fisica quantistica per descrivere una teoria che avrebbe unificato o spiegato attraverso un solo modello le teorie di tutte le Interazioni fondamentali della natura.

Google sta sviluppando un computer quantistico: «Funziona, e anche bene»

D Wave

http://overpress.it/2016/01/08/google-computer-quantistico-funziona-bene/

Il primo computer quantistico esiste davvero ed è di Google. Ospitato allo Ames Research Center, di proprietà della NASA, il super-computer si chiama D-Wave 2X e, stando a quanto sostiene l’azienda che lo ha realizzato, sfrutta i principi e le proprietà della meccanica quantistica, teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e di tutte le loro interazioni viste sia come fenomeni ondulatori sia come fenomeni particellari.








In due articoli pubblicati sul Google Research Blog, l’azienda californiana spiega che il super-computer sarebbe riuscito a risolvere un problema matematico cento volte più velocemente rispetto a un computer tradizionale.

Che cosa sono i qubit?

Rispetto ai tradizionali bit, che possono assumere i valori di 0 o 1, i qubit (o bit quantistici) sono in grado di codificare lo stato quantistico di una particella. Sono quindi capaci di memorizzare molte più informazioni ed è per questo che teoricamente dovrebbero avere una maggiore velocità di calcolo rispetto a quelli basati sull’elettronica.
Per misurare le capacità di calcolo di un processore gli esperti utilizzano un problema numerico. Il processore deve trovare la soluzione attraverso l’elaborazione di un gran numero di calcoli. Il computer quantistico di Google è stato messo alla prova con il cosiddetto “simulated annealing”, un complesso “paesaggio numerico” composto da montagne, colline e vallate. Il computer, attraverso una serie di calcoli, deve trovare il punto più basso del percorso. Se un processore tradizionale è costretto a percorrere l’intero tragitto analizzando le salite e le discese fino alla scoperta della valle più profonda, un computer quantistico è capace di sfruttare l’effetto tunnel, un principio che permette il passaggio all’interno delle colline, come spiegato da David Lidar, della University of Southern California, che nel 2013 ha pubblicato una ricerca sul comportamento del computer quantistico.
Sarebbe proprio questo principio il segreto della velocità di calcolo del super-computer quantistico di Google.

Le incredibili scoperte della Fisica Quantistica


L’universo comincia a sembrare
più simile ad un grande pensiero
che non a una grande macchina.James Jeans, astronomo e fisico.

I – La meccanica quantistica.

La meccanica quantistica delinea un quadro insolito della realtà fisica a livello microscopico, cioè molecolare, atomico, e subatomico. Eppure, nonostante le sue stranezze, la teoria “funziona” perfettamente ed ha permesso grandi progressi scientifici e tecnologici.
In questo capitolo esamineremo alcuni “paradossi” quantistici che sembrano mostrare i limiti della consueta concezione oggettiva e materialistica dell’universo. Alle scale microscopiche la natura non si comporta in conformità alle leggi della fisica classica, che descrive i fenomeni che coinvolgono i familiari oggetti della vita quotidiana.



Come abbiamo visto, il nome della teoria deriva dal concetto di “quanto”, introdotto da Planck nel 1900 e ripreso da Einstein nel 1905. La teoria della meccanica quantistica fu sostanzialmente completata intorno al 1930, ma le ricerche sui suoi paradossi vengono effettuate ancora oggi.

II – Stati quantistici e misurazione fisica.

In fisica classica non vi sono limitazioni di principio alla misurazione delle caratteristiche di un sistema fisico: per esempio ad ogni istante possiamo misurare la posizione di un certo oggetto in movimento, la sua velocità, la sua energia, eccetera. È vero che esistono delle limitazioni “tecniche” o “operative”, dovute alla limitata precisione degli strumenti di misura che impieghiamo, ma nulla ci impedisce di costruire strumenti più precisi e sofisticati.
Per esempio, per misurare la velocità di un’automobile su una strada e rivelare eventuali eccessi di velocità, la Polizia Stradale adopera dei dispositivi elettronici. Un dispositivo di questo tipo è capace di misurare con buona precisione la velocità dell’auto nell’istante in cui la macchina transita davanti all’apparecchiatura. Non vi è nulla che ci impedisce di rendere ancora più precisa tale misurazione, impiegando dispositivi migliori.
Occorre sottolineare che tale dispositivo effettua anche una misura di posizione (perché ovviamente rivela che in quell’istante l’automobile si trovava in quel punto). Con semplici calcoli, è possibile stimare la posizione dell’automobile pochi istanti prima e pochi istanti dopo il transito davanti al dispositivo (poiché in quei pochissimi secondi, per inerzia, la velocità dell’automobile rimarrà approssimativamente la stessa). Vi sarà una certa “approssimazione” o “errore” in questa stima, poiché la velocità in quei pochi secondi potrà variare leggermente, però si tratterà di un errore piuttosto piccolo.
Non è così nella meccanica quantistica: gli oggetti “quantistici” (atomi, elettroni, quanti di luce, ecc.) si trovano in certi “stati” indefiniti, descritti da certe entità matematiche (come la “funzione d’onda” di Schrödinger).
Soltanto all’atto della misurazione fisica si può ottenere un valore reale; ma finché la misura non viene effettuata, l’oggetto quantistico rimane in uno stato che è “oggettivamente indefinito”, sebbene sia matematicamente definito: esso descrive solo una “potenzialità” dell’oggetto o del sistema fisico in esame, ovvero contiene l’informazione relativa ad una “rosa” di valori possibili, ciascuno con la sua probabilità di divenire reale ed oggettivo all’atto della misura.
Per fare un paragone con l’automobile di prima, quando essa viene rivelata dal nostro dispositivo possiamo dire che l’auto si trova veramente in quel punto (misura di posizione). Ma in meccanica quantistica vi sarebbero delle forti limitazioni alle misure che possiamo effettuare: per esempio non potremmo conoscere precisamente la velocità dell’oggetto in quell’istante (per il principio di indeterminazione di Heisenberg). Inoltre, non potremmo prevedere la posizione dell’auto dopo due secondi: potremmo solo dare una stima molto approssimativa, ovvero potremmo solo prevedere l’evoluzione della sua “funzione d’onda”. La funzione d’onda però ci darà solo una vasta “rosa” di posizioni possibili per l’automobile, e per sapere con certezza dove l’automobile si troverà realmente, dovremo effettuare una nuova misura.
La “rosa” di possibilità talvolta può dare risultati sorprendenti o incredibili. È il caso del cosiddettoeffetto tunnel, che è uno dei tanti fenomeni quantistici “stravaganti”. Esso è impiegato anche nelle tecnologie dei semiconduttori ed è responsabile anche della emissione di particelle da parte dei materiali radioattivi. L’effetto tunnel permette alle particelle quantistiche di avere una probabilità di trovarsi fuori dai confini imposti dalla fisica classica.
Per fare un esempio facilmente comprensibile, consideriamo una piscina vuota, con una palla in movimento al suo interno. La palla si sposta da una parte all’altra della piscina rimbalzando contro le pareti e sul fondo, senza però avere l’energia necessaria per uscire. Ad esempio, la piscina è profonda due metri ed i rimbalzi disordinati della palla arrivano al massimo ad un metro di altezza. Ammettiamo pure che non vi sia perdita di energia per attrito, cioè la palla sia perfettamente elastica e la resistenza dell’aria sia del tutto trascurabile (in realtà la dissipazione di energia per attrito tende a ridurre la velocità della palla, che dopo pochissimi minuti si fermerà del tutto). Anche in tale caso ideale la palla non potrà uscire dalla piscina, poiché non potrà comunque superare il metro di altezza: si dice che le pareti della piscina rappresentano una “barriera di energia potenziale”.
Ebbene, in ambito quantistico, una particella in una situazione analoga avrebbe comunque una certa probabilità (seppure minima) di trovarsi al di fuori delle barriere di energia potenziale, cioè di uscire dalla piscina!

III – Stati ed autostati.

Ogni particella o sistema fisico in ogni istante si trova in uno stato ben definito. Matematicamente gli stati quantistici sono elementi di uno spazio di Hilbert, uno spazio astratto che alcuni fisici definiscono come uno “spazio delle potenzialità” o delle “possibilità”. Le grandezze fisiche che possono essere misurate (posizione, velocità, energia, momento magnetico, eccetera) sono chiamate osservabili.
Per fissare le idee, immaginiamo che l’osservabile che vogliamo misurare sia l’energia di un elettrone. Nel linguaggio della meccanica quantistica, si dice che all’atto della misura dell’osservabile energia lo stato collassa in uno dei tanti potenziali autostati ammessi da quell’osservabile (l’energia). Che cosa significa? Che cosa sono gli autostati?
Gli autostati sono quei particolari stati che forniscono una misura oggettiva della nostra osservabile. Invece gli altri stati non possono dare un valore definito della nostra osservabile, poiché prevedono una rosa di risultati diversi (ciascuno con la propria probabilità), e vengono detti stati di sovrapposizione. In termini estremi, possiamo dire che rispetto alla nostra osservabile solo gli autostati danno un valore “oggettivo” nella realtà fisica, mentre gli altri stati non possono dare valori “oggettivi”, prevedibili e certi, pur descrivendo perfettamente il sistema quantistico in esame.
Proviamo a vedere un semplice esempio. Consideriamo un elettrone che si trova in un certo sistema fisico e cerchiamo di misurare la sua energia in un dato istante. Prima della misura, esso non avrà un’energia definita, ma si troverà in uno stato potenziale che contiene (ad esempio):
– l’autostato di energia 850 eV, con probabilità del 20%;
– l’autostato di energia 860 eV, con probabilità del 35%;
– l’autostato di energia 870 eV, con probabilità del 45%.
Nota: eV significa elettron-Volt ed è un’unità di energia utilizzata in fisica atomica, nucleare e sub-nucleare. Per inciso, sono possibili stati molto più complessi di questo.
All’atto della misura del valore dell’energia, la natura dovrà “scegliere” uno dei tre possibili “autostati” dell’energia, ciascuno dei quali ha il suo valore (chiamato “autovalore”): 850 o 860 o 870 eV. Essi sono valori “quantizzati”, ovvero discreti o discontinui (in parole povere non sono possibili valori intermedi, come 865 eV). Pertanto lo stato iniziale è oggettivamente “indefinito” rispetto all’osservabile energia, poiché è una combinazione (o sovrapposizione) di tre autostati diversi, ed all’atto della misurazione dovrà “collassare” in uno dei tre possibili “autostati”, che danno valori validi dell’energia nella realtà fisica oggettiva. Ogni volta il risultato potrà essere diverso, e ciascun “autovalore” ha la sua probabilità di uscire. La cosa strana è che lo stato in questione, che non ha un valore oggettivamente definito rispetto all’osservabile energia, potrebbe essere un autostato rispetto ad un’altra osservabile, cioè potrebbe dare un valore oggettivo, definito e certo.
Un esempio molto importante è quello dei noti orbitali atomici che si studiano in chimica. Gli orbitali atomici sono degli autostati o delle autofunzioni d’onda dell’energia (e del momento angolare, ma non approfondiamo).
Consideriamo la distribuzione degli elettroni in un atomo di idrogeno. Chi ha studiato un po’ di chimica sa che l’elettrone non percorre traiettorie definite, cioè non segue un’orbita determinata intorno al nucleo dell’atomo, ma si trova “sparpagliato” intorno al nucleo, ovvero occupa un certo orbitale (per esempio l’orbitale chiamato 1s, oppure 2s, oppure 2p ecc.).
Alcuni testi divulgativi di chimica dicono (impropriamente) che “l’elettrone è così veloce che non può essere localizzato in un punto ma appare distribuito in una nuvola elettronica“. Gli orbitali infatti assumono l’aspetto di una sorta di “nuvola”, detta appunto nuvola elettronica, con forme determinate: ad esempio una sfera sfumata (orbitale 1s) oppure degli ovali appuntiti e sfumati (orbitali 2p), eccetera.
In realtà tale descrizione pittoresca, data per necessità di esposizione, non è scientificamente valida: non è fisicamente corretto dire che “l’elettrone è così veloce che non può essere localizzato in un punto ma appare distribuito in una nuvola elettronica”. Sarebbe più corretto dire che l’elettrone è la nuvola elettronica stessa, ma anche questa descrizione sarebbe impropria.
L’unica descrizione veramente valida è quella puramente matematica: l’orbitale 1s (o l’orbitale 2s o 2p, eccetera) è un autostato rispetto all’osservabile energia, ma non è un autostato per l’osservabile posizione, rispetto alla quale risulta invece uno “stato di sovrapposizione”: perciò l’elettrone in questo stato non può avere una posizione definita ed appare sparpagliato nello spazio, ovvero appare come una “nuvola elettronica”.
La distribuzione spaziale di tale nuvola viene detta funzione d’onda. In realtà descrivere in termini appropriati ciò che la funzione d’onda rappresenta richiederebbe una lunga trattazione matematica, ma per semplicità possiamo dare la seguente immagine, sempre pittoresca ma meno imprecisa di quella data da molti testi divulgativi: la funzione d’onda in generale è una specie di onda distribuita nello spazio e variabile nel tempo, che in alcuni casi rappresenta una “densità di probabilità” di rivelare l’elettrone in un certo punto, ed in altri casi si comporta come un’onda vera e propria (i fisici perdoneranno il fatto che per semplificare la descrizione non si è fatto riferimento al modulo quadro, così come perdoneranno anche altre piccole approssimazioni).
Nel caso specifico dell’orbitale atomico, l’onda “si ripiega” su se stessa a causa dell’attrazione del nucleo, ed invece di sfuggire e propagarsi nello spazio, si manifesta come nuvola elettronica (ma si tenga sempre presente che anche questa è una descrizione piuttosto pittoresca).
In fisica classica le onde hanno bisogno di un “supporto materiale” per esistere e propagarsi: per esempio le onde del mare si propagano nell’acqua, le onde sonore (i suoni) si propagano nell’aria (o anche in altri materiali) e le onde che danno origine al suono di una chitarra nascono nelle onde che percorrono le corde della chitarra stessa.
La funzione d’onda invece non ha un supporto materiale, poiché essa stessa rappresenta e costituisce la cosiddetta materia, ed è una sorta di vibrazione nella struttura dello spazio-tempo, da cui noi possiamo ottenere delle previsioni in termini probabilistici.

IV – Il principio di indeterminazione.

Vediamo adesso un esempio simile a quello dell’automobile visto in precedenza. Si consideri la posizione di un elettrone nello spazio (cosa che in fisica classica è ovvia e perfettamente definita). In meccanica quantistica l’elettrone non avrà una posizione definita, come l’automobile, ma avrà una “rosa” di posizioni possibili, descritta collettivamente da una “funzione d’onda”.
All’atto della misura, l’elettrone verrà rivelato solo in un punto tra quelli possibili, ovvero la “funzione d’onda collasserà” in quel singolo punto. La fisica non è in grado di prevedere quale punto verrà scelto, cioè è incapace di spiegare perché un punto venga preferito ad un altro, e quindi sembra essere presente un elemento casuale, la famosa indeterminazione.
Per ragioni di principio, non è possibile prevedere quale valore effettivo si avrà all’atto della misura: a priori si ha soltanto una rosa di probabilità su certi valori definiti, chiamatiautovalori (i quali però sono definiti con grande precisione). Vi è quindi una “indeterminazione” sui valori della misura. In realtà ciò non altera l’utilità delle applicazioni della meccanica quantistica, che in certi campi, come in spettroscopia, ottiene delle precisioni sbalorditive. In altre parole, la statistica permette risultati estremamente precisi sul comportamento collettivo del sistema, ma indeterminati sulle singole particelle.
Questa strana proprietà dei sistemi quantistici fu espressa da Heisenberg nel 1927 col celebre principio di indeterminazione. Per esempio se misuriamo con grande precisione la posizione di una particella, avremo una certa indeterminazione sulla sua velocità, e viceversa.

V – La realtà è in parte creata dall’osservatore?

In definitiva, gli oggetti quantistici si trovano in certi stati che non sono sempre dotati di valore definito delle osservabili prima della misura: infatti è l’osservatore che costringe la natura a rivelarsi in uno dei possibili valori, e questo è determinato dall’osservazione stessa, cioè non esiste prima che avvenga la misurazione. Per introdurre una definizione apparentemente audace, ma che verrà giustificata in seguito (dal paragrafo XI in poi), le caratteristiche reali ed oggettive del sistema fisico sono definite solo quando vengono misurate, e quindi sono “create” in parte dall’atto dell’osservazione.
Questa affermazione può sembrare bizzarra, ma ha una validità molto più profonda di quanto si possa immaginare. Molti fisici (tra cui Einstein, paragrafo VII), hanno inizialmente rifiutato questa insolita interpretazione, ma gli esperimenti hanno evidenziato che questa è l’unica soddisfacente. Ciò verrà esaurientemente dimostrato a partire dal paragrafo XI.
La meccanica quantistica quindi introduce due elementi nuovi ed inaspettati rispetto alla fisica classica: una è appunto l’influenza dell’osservatore, che costringe lo stato a diventare un autostato; l’altra è la casualità nella scelta di uno tra i diversi possibili autostati (ognuno con una propria probabilità).
Il primo elemento inaspettato è la violazione dell’oggettività. Il secondo è l’indeterminazione, che rappresenta un’inaspettata violazione della perfetta intelligibilità deterministica. Entrambi gli elementi sono estranei alla mentalità della fisica classica, cioè rispetto a quella concezione ideale (galileiana, newtoniana e perfino einsteiniana) che pretende che l’universo sia perfettamente oggettivo ed intelligibile.
La prima interpretazione della meccanica quantistica, che fu proposta da alcuni scienziati negli anni ’20, includeva la figura dell’osservatore come parte del sistema fisico osservato! Così la figura dell’osservatore cosciente fece capolino in una scienza fino ad allora considerata rigorosamente oggettiva (la fisica). Non a caso le grandezze fisiche misurabili in meccanica quantistica, come la posizione, l’energia, la quantità di moto, eccetera, vengono chiamate osservabili. Infatti si sottintende che la loro esistenza ha senso solo in funzione di una possibile osservazione.
Questo rivela la strana situazione in cui gli scienziati si trovano nell’analisi dei sistemi quantistici. Con la meccanica quantistica la scienza sembra essere arrivata a rivelare quella misteriosa frontiera tra soggetto ed oggetto che in precedenza era stata del tutto ignorata a causa del principio (nascosto e sottinteso) dell’oggettivazione: fino agli anni ‘20 la realtà poteva essere considerata del tutto “oggettiva” ed indipendente dall’osservazione di eventuali esseri coscienti. Ma con la formulazione della meccanica quantistica sembrò che si dovesse tener conto necessariamente della figura dell’osservatore cosciente!

VI – L’interpretazione di Copenaghen e le prime reazioni.

La concezione che abbiamo intravisto alla fine del paragrafo precedente è la prima versione della cosiddetta interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica. Copenaghen è la città di Bohr, in cui operavano anche altri importantissimi scienziati come Heisenberg, Pauli, Born, Dirac. Tutti questi fisici sono considerati i fondatori della meccanica quantistica insieme a Planck, allo stesso Einstein (che poi criticò i fondamenti di tale teoria), a De Broglie e a Schrödinger.
Occorre precisare che la meccanica quantistica, pur segnando la fine del concetto di oggettività classica, permette ancora di parlare di “oggettività degli stati quantistici”. Infatti gli stati quantistici rimangono sempre esattamente definiti da un punto di vista matematico. Il problema è che si tratta di un tipo di “oggettività” ben diversa e limitata rispetto a quella familiare e sottintesa nella fisica classica, ed è per questo che molti fisici preferiscono parlare espressamente di “non-oggettività”. Ma torniamo all’interpretazione di Copenaghen.
Vi furono subito delle reazioni a tale concezione, poiché in fisica era sottinteso da sempre che l’universo esiste oggettivamente, indipendentemente dal fatto che noi lo osserviamo o meno. In effetti, la scienza ebbe il suo grandioso sviluppo fin dal 1600 proprio grazie all’ipotesi dell’oggettivazione. Così i fisici degli anni ’20 e ’30 cercarono delle soluzioni concettuali per sfuggire a tale insolita situazione (che nella cornice dell’oggettivazione appare del tutto paradossale).

La teoria quantistica della Coscienza

(Discorso tenuto a Parigi da Henry P. Stapp l’11 maggio 2013)
Traduzione in italiano di Michele Forastiere
La meccanica quantistica è fondamentalmente una teoria della connessione mente-cervello. In questo discorso spiegherò perché le cose stanno così, e in che modo funziona questa connessione.





 La mia presentazione tratterà, nell’ordine, i seguenti punti:
1Materialismo Speranzoso: *
È l’idea – attualmente sostenuta dalla maggior parte dei neuroscienziati – che l’adesione tenace ai principi dellaMeccanica Classica porterà, alla fine, alla comprensione della coscienza.
2. Meccanica Quantistica (MQ) di Copenhagen:
È la versione originale della MQ. Per essa le esperienze coscienti sono gli elementi base della teoria. Ciò nonostante,  non riesce a fornire una comprensione logicamente coerente della realtà.
3. MQ ortodossa di Von Neumann:
Si tratta di una riformulazione della MQ di Copenaghen, che traduce la versione originale in una teoria razionalmente coerente della coscienza e della sua connessione al mondo fisicamente descritto.
4. L ‘effetto Zenone quantistico:
È una struttura matematica della meccanica quantistica ortodossa che spiega come le intenzioni coscienti influenzino le azioni corporee.
5. La natura non materiale della Natura:
Le apparenze ingannano! Il mondo fisicamente descritto non può essere fatto di “roba materiale”.
6. Effetti retro-causali:
Esperimenti recenti rivelano – direttamente a livello macroscopico – effetti retro-causali che sono totalmente incompatibili con la meccanica classica materialistica. Ciò mina alla base il Materialismo Speranzoso.
Concluderò sostenendo che è importante per noi, come individui e collettivamente, correggere la nozione attualmente diffusa che la scienza dimostri che siamo automi meccanici. Quest’ultima idea si basa sulla meccanica classica, ormai empiricamente invalidata. Il suo successore, la MQ empiricamente valida, ci rappresenta come esseri psico-fisici le cui intenzioni coscienti non sono determinate dagli aspetti fisici della Natura, ma che tuttavia influenzano causalmente il corso degli eventi fisici.
La domanda che ci si pone immediatamente davanti è questa: “Qual è la connessione tra le nostre esperienze coscienti e il mondo fisicamente descritto?
Le teorie fisiche classiche prevalenti nella scienza durante i secoli XVIII e XIX affermavano che ogni proprietà fisica è pre-determinata soltanto da proprietà fisiche precedenti, senza alcun “input” aggiunto dalla coscienza. Questa affermazione, se fosse vera, implicherebbe che le nostre vite sono senza senso: ridurrebbe ciascuno di noi a un automa meccanico sostanzialmente privo di mente, che non è in grado di influenzare il corso degli eventi fisici futuri – né a proprio beneficio, né a beneficio di chiunque altro.
Oggi si sa che le teorie fisiche classiche sono fondamentalmente false. Esse sono stati sostituite dalla MQ. In questa nuova teoria, le nostre “libere scelte” coscienti svolgono un ruolo dinamico essenziale nel determinare il futuro. Tali scelte sono dette “libere”, perché non sono vincolate da alcuna altra caratteristica della teoria, statistica o di altro tipo. Gli effetti fisici diretti di queste libere scelte mentali stanno nella loro influenza sul cervello.
MATERIALISMO SPERANZOSO
Sir Karl Popper è generalmente considerato uno dei più grandi filosofi della scienza del XX secolo. Egli definiva “Materialismo Speranzoso” la teoria della connessione mente-cervello attualmente sostenuta dalla corrente principale delle neuroscienze. La “speranza” implicita in tale espressione è che l’adesione tenace ai principi della meccanica classica alla fine porterà alla comprensione della coscienza.
La sfida scoraggiante per il Materialismo Speranzoso è stata efficacemente descritta dal grande fisico del XIX secolo, John Tyndall: “Siamo in grado di tracciare lo sviluppo di un sistema nervoso e correlarlo ai fenomeni paralleli di sensazione e pensiero. Vediamo con certezza priva di dubbi che essi vanno di pari passo. Ma è come salire nel vuoto nel momento in cui tentiamo di comprendere la connessione tra loro … L’uomo come oggetto è separato da un abisso invalicabile dall’uomo come soggetto. Non esiste nell’intelletto un’energia motrice in grado di trasportarlo da uno all’altro senza fratture logiche.”[1] {The Belfast Address, 1874}
L'”abisso invalicabile” di Tyndall è stato invece colmato dal grande logico del Novecento, John von Neumann. Ma tale risultato si è basato sulla sostituzione dei principi della fisica classica con quelli della MQ.
MECCANICA QUANTISTICA DI COPENAGHEN
Agli inizi del XX secolo, una serie di risultati teorici e sperimentali hanno dimostrato che i principi classici, che funzionano tanto bene per i grandi oggetti astronomici e terrestri, smettono di valere per i componenti atomici di tali oggetti. A questo punto, si è scoperto un nuovo insieme di leggi che valgono a livello atomico. Queste leggi si applicano, in linea di principio, non soltanto ai singoli atomi, ma anche a sistemi costituiti da un numero arbitrariamente grande di atomi.
Se però cerchiamo di applicare tali leggi a un sistema composto sia dai costituenti atomici di una persona che osserva, sia da quelli del sistema che essa sta osservando, spesso ci si accorge che ciò che l’osservatore esperimenta è molto diverso da quanto predice la teoria. In virtù delle leggi atomiche, il cervello dell’osservatore evolve in una miscela di molti stati differenti, ognuno dei quali corrisponde ad una percezione diversa; tuttavia, solo una di queste percezioni si verifica in ogni data istanza empirica reale. Di conseguenza la teoria, intesa nell’ordinario modo tradizionale, non riesce ad accordarsi con l’esperienza.
I fondatori della MQ risolsero questo conflitto tra teoria ed esperienza abbandonando la struttura concettuale che Isaac Newton aveva creato nel XVII secolo. Quel modo “classico” di pensare era stato accettato dagli scienziati, per più di due secoli, come il fondamento appropriato della scienza. Ma esso escludeva, in linea di principio, ogni partecipazione causale delle nostre esperienze coscienti al dispiegarsi del futuro fisicamente descritto.
La teoria quantistica abolisce tale esclusione. Essa eleva le nostre esperienze coscienti dal ruolo di testimoni passivi a quello di partecipanti attivi nella creazione del nostro futuro fisico comune.
Per comprendere questo profondo cambiamento nella concezione scientifica di noi esseri umani e della Natura di cui facciamo parte, è utile esaminare come è avvenuta questa revisione radicale. Per far fronte alle sconcertanti scoperte del XX secolo, i padri fondatori della teoria quantistica sottolinearono che la scienza deve essere ancorata a ciò che conosciamo. Ma tutto ciò che sappiamo risiede nelle nostre esperienze. I fondatori perciò abbandonarono l’idea che lo scopo della scienza fosse quello di comprendere la realtà che sta dietrole nostre esperienze. Si concentrarono invece sulla struttura di quelle stesse esperienze. Nelle parole di Niels Bohr: “Nella nostra descrizione della natura, lo scopo non è quello di rivelare la vera essenza dei fenomeni, ma solo di rintracciare il più possibile le relazioni tra i multiformi aspetti della nostra esperienza.” {“La teoria atomica e la descrizione della natura”, p.18}
La teoria quantistica è stata quindi proposta originariamente non come una teoria della “realtà”, definita in qualche astratto senso classico, ma è stata presentata come uno strumento pratico per fare previsioni circa le esperienze future, sulla base delle informazioni derivate dalle esperienze passate. Le nostre esperienze umane divennero pertanto le realtà di base della teoria. Noi osservatori fummo  così concepiti – in conformità con la comprensione intuitiva che abbiamo di noi stessi – come esseri psico-fisici che possono formarsi delle intenzioni valoriali su come agire meglio, e poi agire di conseguenza a tali intenzioni, scelte mentalmente.
Questo cambiamento è intrinsecamente ragionevole, ma viola una idea centrale della meccanica classica:inserisce di prepotenza nel funzionamento della natura certe scelte umane consapevoli che, nel quadro quantistico, non sono controllate dagli aspetti meccanici della teoria, né da qualsiasi altra cosa la teoria descrivaQueste “libere scelte” vengono introdotte nella teoria (una teoria utile nella pratica) come le scelte dello sperimentatore su quali azioni sperimentali di misura andrà a svolgere. Le libere scelte non vengono incluse al fine di soddisfare le nostre intuizioni su noi stessi. Esse giocano un ruolo tecnico essenziale: ogni scelta individua, in un modo non determinato da nulla nella teoria, una qualche esperienza possibile “discreta” all’interno di un insieme continuo e distribuito di esperienze possibili.
Qui è necessaria una pausa! Abbiamo compiuto un enorme salto concettuale, da cui derivano conseguenze importanti. Un minimo di riflessione seria è d’obbligo.
La meccanica classica è nata dalle nostre osservazioni dei grandi corpi celesti e terrestri. In tali casi, la nostra scelta di cosa occuparsi ha poco o nessun effetto sul sistema sotto osservazione. Ma è ragionevole concludere da questi casi che le nostre scelte mentali di studiare una data azione materiale riguardante una persona abbiano poco o nessun effetto sulle nostre azioni materiali?
La risposta è chiaramente no! Il fatto che i moti percepiti dei pianeti non dipendano da quale domanda scegliamo di porci su quei movimenti non deve necessariamente trasferirsi alle domande che scegliamo di fare sui movimenti percepiti del nostro corpo. E in MQ l’estrapolazione dall’astronomia alle neuroscienze sbaglia in un modo ben preciso.
La MQ è tecnicamente molto più adatta di quella classica nel trattare gli effetti causali che la nostra mente indagatrice ha su ciò che sta indagando. Essa spiega la grande differenza tra le nostre percezioni dei pianeti e le nostre percezioni di noi stessi.
La forma logica generale della procedura quantistica di misura è la seguente: l’osservatore sceglie, e poi esegue un’azione tale che, se la risposta esperienziale scelta per quell’azione di sondaggio si verifica effettivamente, allora il sistema sotto osservazione acquisisce una proprietà fisica associata. La “natura” risponde alla domanda dell’osservatore facendo sì che l’esperienza scelta si verifichi oppure non si verifichi, secondo una regola statistica quantistica.
Una caratteristica assolutamente fondamentale di tale processo di misura è che questa proprietà “osservata” è qualcosa di cui il sistema esaminato entra in possesso dopo che il processo è stato completato, ma potrebbe non aver posseduto prima che  il processo fosse avviato. Ad esempio, lo stato di un sistema osservato primadell’osservazione potrebbe essere rappresentato da uno stato fisico diffuso su una grande regione spaziale, mentredopo la risposta positiva, lo stato potrebbe essere confinato a una regione minuscola. Tale “collasso dello stato quantico” rappresenta una soluzione al problema del dualismo onda-corpuscolo.
MECCANICA QUANTISTICA ORTODOSSA DI VON NEUMANN
L’idea di “collasso” risolveva – per decreto ufficiale – il problema del dualismo onda-corpuscolo. Ma sollevava molti altri enigmi. I fondatori li schivarono affermando di aver fornito solo uno strumento pratico che funzionava. Ma l’insigne logico John von Neumann affrontò gli enigmi di petto.
L’originale metodo di “Copenaghen” per spiegare il processo di collasso dipendeva da una cosa misteriosa definita “taglio di Heisenberg“. Si supponeva che tutto ciò che giace “al di sotto” di questo taglio dovesse essere descritto nel linguaggio matematico della MQ, mentre tutto ciò che giace “al di sopra” del taglio venisse esposto o nel linguaggio della fisica classica oppure in termini psicologici o mentali. L’idea era che un resoconto pratico deve contenere le nostre intenzioni e libere scelte mentali, e anche – nelle parole di Bohr – le nostre descrizioni “di quello che abbiamo fatto e di ciò che abbiamo imparato”. Queste cose erano illustrate in termini mentali e classici, mentre le loro basi atomiche erano definite in termini di matematica quantistica.
Il taglio di Heisenberg era “mobile”: la sua collocazione dipendeva da quale uso pratico si doveva fare della teoria. Ma quella “mobilità” significava che lo stesso oggetto fisico poteva essere descritto in due modi logicamente incompatibili – classicamente o quantisticamente – a seconda dell’applicazione pratica.
Tale incoerenza potrebbe anche andar bene per una teoria puramente pratica, ma non è accettabile per una teoria che aspira ad essere una rappresentazione della realtà stessa. Una mossa fondamentale fatta da von Neumann fu quella di dimostrare che la seconda delle descrizioni fisiche problematiche presenti nella formulazione di Copenaghen – precisamente la “descrizione classica” – può essere rimossa senza alterare le previsioni della teoria. Le esperienze mentalmente descritte venivano mantenute fisse, mentre il taglio di Heisenberg era spostato in alto, un passo alla volta, fino a che tutti gli oggetti fisicamente descritti venivano a giacere sotto il taglio – e quindi potevano essere rappresentati nel linguaggio matematico della MQ. Le “seconde” descrizioni fisiche in termini di concetti della falsa meccanica classica erano perciò eliminate.
D’altra parte, gli aspetti mentali dell’osservatore sono preservati durante lo spostamento del taglio, ma alla fine vengono spinti completamente fuori dall’universo fisicamente descritto. Questi aspetti mentali preservati furono chiamati ego astratti” da von Neumann. Hanno carattere mentale, e sono separati dal mondo fisico. Eppure, ciascuno di tali ego mantiene un legame quantistico  dinamico con un cervello fisico associato. Dunque l'”abisso invalicabile” di Tyndall, fra uomo come oggetto e uomo come soggetto, è stato colmato dalla rigorosa matematica quantistica. Von Neumann trasformò quanto era stato originariamente proposto come un semplice “strumento pratico che funziona” in una possibile descrizione razionalmente coerente di una realtà psico-fisica dinamicamente coesa.
La formulazione di von Neumann, con l’eliminazione della problematica “descrizione classica”, elimina anche l’idea che la mera “grandezza” possa in qualche modo causare il collasso. Dopo tutto, quanto grande è “grande”? La formulazione di von Neumann lega il collasso non a un concetto nebuloso come “grande”, ma a qualcosa che, secondo la teoria, è separato dal mondo fisico – vale a dire la coscienza! E la sua teoria specifica il luogo in cui la coscienza agisce – precisamente nel cervello dell’osservatore.
L’EFFETTO DI ZENONE QUANTISTICO
Ora, potrebbe sembrare che la mera capacità di porre domande e registrare risposte lasci il nostro egoaltrettanto inerme e impotente di prima. Ma il processo quantomeccanico del porre domande e ricevere risposte non è simile al processo meccanico classico, in cui l’osservatore è semplicemente un testimone passivo. Nella MQ, la libera scelta dell’osservatore di quale domanda porre svolge un ruolo critico nel determinare quali proprietà si manifesteranno.
In MQ, l’osservatore pone alla Natura una domanda del tipo “Sì / No” sullo stato del sistema. Se la risposta della Natura è “Sì”, allora dopo questa risposta il sistema avrà sicuramente la proprietà che l’osservatore aveva liberamente scelto.
In generale, questa dipendenza delle proprietà del sistema sotto esame dalla scelta della domanda dell’osservatore non dà a quest’ultimo un effettivo controllo del sistema osservato. Questo perché la risposta della Natura potrebbe anche essere “No”. Tuttavia, esiste una situazione importante nella quale, secondo le regole quantistiche, le risposte “No”  saranno fortemente soppresse. In tal caso, le libere scelte effettuate dall’osservatorepossono esercitare un controllo efficace del sistema misurato – il quale, nella teoria di von Neumann, è il cervello stesso dell’osservatore. È possibile prevedere la soppressione delle risposte “No” se un’iniziale risposta “Sì” è seguita da una sequenza sufficientemente rapida di riproposizioni della stessa domanda. In questo caso l’osservatore acquisisce, mediante le sue proprie libere scelte, il potere di mantenere stabilmente in atto un processo cerebrale selezionato che di norma svanirebbe rapidamente.
Questo effetto è il celebre “Effetto di Zenone Quantistico”, che venne associato da Sudarshan e Misra al paradosso della freccia in volo formulato dal filosofo greco Zenone di Elea.
Questo importante cambiamento dinamico nel ruolo di noi osservatori è stato più volte sottolineato da Bohr e dagli altri fondatori della MQ, in affermazioni come questa: “Nel grande dramma dell’esistenza umana siamo sia attori che spettatori.” Si tratta di un’innovazione che rende giustizia all’impegno di William James alla razionalità: “È a mio avviso del tutto inconcepibile che la coscienza non debba avere nulla a che fare con un’attività alla quale partecipa tanto fedelmente.” {Principi di psicologia, volume 1, p.136}.
LA NATURA NON MATERIALE DELLA NATURA
Viene da chiedersi perché la maggior parte dei neuroscienziati interessati alla connessione mente‑cervello scelga di ignorare una teoria proposta dalla fisica contemporanea. Un motivo, naturalmente, è il potere dell’inerzia e dell’autorità. Un altro è la matematica non familiare.
Ancora più importante è il fatto che i libri di testo di fisica seguano l’approccio pragmatico di Copenaghen, in cui si immagina che il collasso quantico si verifichi nei dispositivi di misurazione esterni, piuttosto che nel cervello.
Ma probabilmente l’inibitore più influente di tutti è il fatto che la teoria ortodossa implica che l’apparente validità delle idee classiche a livello delle proprietà visibili è illusoriasecondo la meccanica quantistica ortodossa “le apparenze ingannano!”. E, di fatto, ingannano profondamente!
Nella teoria ortodossa il mondo fisicamente descritto è considerato completamente quantistico. Ciò significa che, nonostante la sua apparenza classica, il mondo fisico macroscopico è un intreccio di potenzialità che riguardano ciò che apparirà agli osservatori se qualcuno in effetti guarda. Le proprietà percepibili sono definite solo nella misura in cui le percezioni effettive le hanno fissate.
L’aspetto “classico”, normalmente osservato, del mondo visibile è creato – secondo la teoria ortodossa –  da tutte le osservazioni che sono state effettuate nel corso della storia dell’universo. Tali condizioni sono molto restrittive. Ma esse lasciano ancora un bel po’ di margine all’incertezza quantistica per quanto riguarda gli eventi che, pur essendo di dimensioni percepibili, non vengono effettivamente percepiti.
Il nostro cervello, per esempio, è un oggetto altamente quanto-meccanico. Grandi dosi di incertezza quantistica sono prodotte dal passaggio di ioni attraverso i canali ionici. I piccoli diametri spaziali di questi canali comportano grandi incertezze nelle velocità degli ioni emessi. Il cervello di una persona vivente è quindi un generatore di enormi quantità di incertezza quantistica. Questa incertezza può filtrare fino al livello macroscopico senza essere percepito, né dalla persona stessa, né da chiunque altro.
Il cervello deve perciò essere trattato in maniera quanto-meccanica, permettendo così che il comportamento di una persona possa essere influenzato significativamente dalle libere scelte fatte dalla sua mente cosciente.
Per quanto strana questa caratteristica possa sembrare a scienziati intrisi di fisica newtoniana, è ad essa che la MQ conduce razionalmente. È totalmente concorde con l’intero campo dell’esperienza umana, inclusa la comprensione di noi stessi, che è basata sull’esperienza; ed è in linea con una certa idea di parsimonia, che non avrebbe permesso alla Natura di gravare se stessa con una consapevolezza cosciente tanto enormemente sviluppata, ma che non fosse in grado di fare alcuna differenza rispetto a ciò che accade nella realtà concreta.
Il carattere essenzialmente immateriale del mondo della MQ su scala macroscopica è implicito in quella cheEinstein definiva “una spettrale azione a distanza”Questo tratto fondamentale della MQ comporta inevitabilmente il trasferimento di informazioni a velocità maggiori di quella della luce. Einstein credeva che questa caratteristica quantistica fosse, in un certo senso, solo un aspetto del formalismo matematico, e che perciò non potesse essere una proprietà basilare della realtà stessa. Eppure, è stato rigorosamente provato – mediante un ragionamento che non fa in alcun modo riferimento a qualsivoglia proprietà microscopica – che la MQ possiede una proprietà “più-veloce-della-luce” che è puramente macroscopica, ma che è incompatibile con la proprietà “mai-più-veloce-della-luce” implicita nei principi della fisica classica (relativistica). {Stapp; Appendice 1 di “On the Nature of Things: Human Presence in a World of Atoms”}
EFFETTI RETRO-CAUSALI
A prescindere dalle dimostrazioni logiche del fallimento del materialismo basato sulla fisica classica, esistono anche fenomeni direttamente osservabili che coinvolgono l'”apparizione” di azioni che procedono all’indietro nel tempo. Il collasso quantico produce un certo tipo di effetto quasi-retro-causale. Non solo il collasso sceglie ciò che effettivamente accade all’interno di un insieme di potenzialità relative a ciò che potrebbe accadere;esso cancella anche la memoria di ogni traccia delle proprietà da cui sono derivate le possibilità successivamente eliminate dalla scelta della natura. Le registrazioni superstiti dei processi fisici che hanno condotto all’evento di collasso mostrano solo quelle parti del passato da cui è conseguito ciò che è accaduto in concreto: il resto scompare senza lasciare traccia. Come Stephen Hawking e Leonard Mlodinow hanno succintamente notato nel loro recente libro “The Grand Design” [pubblicato in Italia col titolo “Il Grande Disegno“]: “Siamo noi a creare la storia mediante le nostre osservazioni, non è la storia che crea noi.” (P.140)
Un gran numero di esperimenti ha evidenziato l’esistenza di varie retro-azioni direttamente al macro-livello degli effetti di dimensione percepibile. Un esempio è costituito da un cambiamento nelle dimensioni della pupilla di soggetti umani appena prima che scatti un lampo di luce, temporizzato casualmente! Un altro esempio è l’improvviso aumento della conduttanza della pelle prima che uno stimolo visivo scioccante venga mostrato a dei soggetti umani.
Questi retro-effetti sono incompatibili con un mondo materiale governato dai principi della fisica classica. I precetti del “Materialismo Speranzoso” sono pertanto – proprio a livello dei fenomeni visibili, e senza riferimento alla teoria dei quanti – inconciliabili con l’evidenza scientifica.
CONCLUSIONE
Il fallimento della meccanica classica a livello atomico ha portato alla sua sostituzione con la MQ, ma tale cambiamento implica l’alterazione del comportamento di tutti i sistemi composti da atomi. Ciò include il nostro cervello, che – secondo le leggi atomiche – diventa in generale una miscela di stati corrispondenti alle diverse percezioni. La disparità mente-cervello indusse i padri fondatori della MQ a inglobare nella teoria le nostre esperienze coscienti come variabili indipendenti e non come semplici riaffermazioni o riformulazioni delle proprietà fisiche.
Il problema centrale nella fisica diventa allora la connessione tra la mente e il cervello.
La MQ ortodossa fornisce un quadro concettuale che si adatta molto bene a studiare il problema degli effetti causati dalle azioni della mente che indaga sul cervello che essa sta indagando. La meccanica classica materialistica non può farlo. L’affermazione – basata sulla fisica classica – che la scienza ha dimostrato che noi siamo essenzialmente degli automi meccanici ha avuto un grande impatto sulla nostra vita: i nostri insegnanti lo insegnano; i nostri tribunali lo sostengono; le nostre agenzie governative e ufficiali lo accettano; e i nostri esperti lo proclamano. Di conseguenza, ci viene incessantemente detto che siamo fisicamente equivalenti a dei robot privi di mente, e trattati come tali; noi stessi risultiamo confusi e indeboliti da tale presunto verdetto della scienza, che dichiara le nostre vite prive di senso.
Ma adesso siamo nel XXI secolo. È tempo di abbandonare la concezione meccanicistica di noi stessi generata dalla fisica dell’Ottocento, una fisica che è stata ormai empiricamente invalidata. La fisica contemporanea è fondata sull’esperienza cosciente, non sulla sostanza materiale. Il suo aspetto fisico matematicamente descritto si presenta come potenzialità per esperienze future. Il dipanarsi del futuro è governato dalle leggi matematiche di von Neumann, nelle quali le nostre libere scelte coscienti hanno il ruolo di variabili essenziali.
* Abbiamo tradotto come “Materialismo Speranzoso” l’espressione “Promissory Materialism“, nel tentativo di renderne la carica ironica originale.

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