L’universo è grande, ma potrebbe non essere unico: quanto è plausibile l’esistenza di universi paralleli?

In copertina: un’opera di Karl Friedrich Schinkel.

di Roberto Paura

Verso la fine de La svastica sul sole di Philip K. Dick, il signor Tagomi si siede su una panchina in un parco e osserva una spilla d’argento appena acquistata, che il venditore gli ha assicurato possedere proprietà miracolose. Dopo averla manipolata a lungo, Tagomi si convince che si tratti di un normale gioiello, lo getta via e riprende a passeggiare. Ma le strade di San Francisco non sono più le stesse. Non ci sono taxi a pedali, ma superstrade dove scorrono auto dalle forme sconosciute; non ci sono giapponesi, ma solo bianchi, che per giunta non gli cedono il posto a sedere nel bar, come impone il regime di apartheid; ritornando nel parco, nota dei barboni stesi sulle panchine, una scena inconcepibile. Tagomi si ritrova, anche se solo per un istante, in un altro piano della realtà dove il Giappone ha perso la Seconda guerra mondiale, non ha conquistato la costa occidentale degli Stati Uniti e non governa il mondo in stretta alleanza con il Terzo Reich. L’universo parallelo che Tagomi sperimenta per pochi minuti non è che il nostro (o perlomeno uno molto simile al nostro). Dick avrebbe potuto rovesciare banalmente la scena, ambientandola nel nostro mondo, dove per un attimo ci appare la visione da incubo di un mondo dominato dalle potenze dell’Asse; se ha scelto l’altro punto di vista è per spingerci ad accettare l’idea che, se il mondo in cui viviamo – e che Tagomi sperimenta per un istante – è reale, analogamente potrebbero esserlo altri universi, dove gli eventi hanno preso direzioni completamente diverse.



La cosiddetta “interpretazione a molti mondi” della meccanica quantistica fu sviluppata per la prima volta da Hugh Everett III nel 1957. Per comprendere le ragioni di quella proposta, bisogna tornare alle origini della fisica quantistica e all’esperimento della doppia fenditura, che rivela la natura schizofrenica della realtà nel reame atomico e subatomico.

Se si proietta un fascio di luce molto coerente (per esempio un raggio laser) verso una barriera fornita di due fessure verticali e parallele, sullo schermo posto dietro alla barriera vediamo comparire un’immagine particolare: non due fasce luminose in corrispondenza delle fenditure, ma una serie di fasce separate da aree scure che riempiono lo schermo, anche dietro a quelle parti che la luce, in teoria, non potrebbe superare. I fisici la chiamano “figura d’interferenza” e rivela la natura ondulatoria della luce: oltrepassando le due fenditure, il fascio di elettroni si divide in due onde che, scontrandosi, producono picchi di luminosità quando s’incrociano due creste, vale a dire i due punti più alti dell’onda, e fasce scure quando s’incontrano due ventri, ossia i due punti più bassi.

«Ogni volta che osserviamo qualcosa – uno strumento scientifico, una galassia o un essere umano – in realtà guardiamo dalla prospettiva di un solo universo un oggetto più grande che si estende anche in altri universi. […] Quella che per un osservatore è una coppia sposata, in realtà è solo un frammento di una vasta entità che comprende molti esemplari fungibili della coppia, insieme ad altri esemplari dei due che hanno divorziato e ad altri che non si sono mai sposati»

Quando, agli inizi del Novecento, Max Planck scoprì che in realtà la luce (o meglio la radiazione elettromagnetica) non si propaga con un’energia continua, ma racchiusa in “pacchetti” di energia che chiamò quanti, questa visione ondulatoria della luce fu sostituita da una concezione corpuscolare: i quanti di luce, i fotoni, sono particelle dotate ciascuna di una determinata energia. Eppure, ripetendo l’esperimento della doppia fenditura sparando verso la barriera un fotone alla volta, dopo un po’ ecco che la figura d’interferenza ricompare. È come se il fotone (particella) oltrepassasse la barriera passando per entrambe le fenditure (come fosse un’onda). Se infine poniamo un rilevatore dietro ciascuna fenditura per capire da quale di esse il fotone oltrepassa la barriera, ecco che la figura d’interferenza scompare e vediamo semplicemente un insieme di punti luminosi sullo schermo in corrispondenza delle due fessure.



Nel 1927 Niels Bohr coniò il concetto di “complementarità” per spiegare il dualismo onda-particella: i due aspetti sono complementari, non possiamo osservare contemporaneamente la luce come onda e come insieme di fotoni, ma solo uno dei due aspetti a seconda dell’esperimento. La complementarità è una delle idee fondamentali della meccanica quantistica: si applica non solo ai fotoni, ma a ogni tipo di particella.Gli elettroni che, nella concezione classica, circondano in orbite precise il nucleo atomico, nella visione quantistica sono invece “spalmati” intorno al nucleo come nuvole di probabilità, e assumono una posizione precisa nello spazio solo se si compie una misurazione.

Nel 1937, durante una visita in Cina, Bohr ebbe modo di familiarizzare con le concezioni taoiste, in particolare con l’idea di complementarità espressa dagli archetipi polari yin e yang. Quando, anni dopo, fu investito di un titolo nobiliare e dovette scegliere il suo stemma e motto, adottò il simbolo cinese dal Taijitu e il motto Contraria sunt complementa (gli opposti sono complementari). Non meraviglia che il fisico austriaco Fritjof Capra ebbe tanto successo con il suo best-seller Il Tao della fisica, pubblicato nel 1975: la relazione tra fisica quantistica e pensiero orientale era già stata scoperta da Bohr quarant’anni prima.



Insieme a Werner Heisenberg, Bohr formulò la cosiddetta “interpretazione di Copenaghen” che propone una realtà quantistica indeterminata e probabilistica, che assume un aspetto reale e deterministico solo quando si compie una misurazione, quando cioè l’elemento quantistico interagisce con l’elemento macroscopico (un essere umano, un microscopio elettronico, un acceleratore di particelle). In quel momento avviene il “collasso della funzione d’onda”: quando spariamo un fotone contro la barriera, l’aspetto ondulatorio rappresenta un’onda di probabilità, che oltrepassa entrambe le fenditure e si estende per uno spazio molto più ampio; ma quando effettuiamo la misurazione, l’onda collassa in una particella puntiforme e varca solo una delle due fenditure. Il che vuol dire che, se non ci fosse un apparato di misurazione o un osservatore che compie la rilevazione, il fotone resterebbe eternamente nella sua componente probabilistica e indeterminata.

Nel 1962, aveva chiarito che la sua teoria prevede l’esistenza di innumerevoli “ramificazioni” della realtà: l’osservazione di un fenomeno non determina la “morte” di tutti i rami tranne uno, ma la loro contemporanea esistenza in altri universi.

Un altro famoso fisico austriaco, Erwin Schrödinger, attaccò l’interpretazione di Copenaghen con il suo celebre esperimento mentale del gatto: se si accetta che lo stato quantistico resti indeterminato finché non viene osservato, cosa avviene se mettiamo in una scatola chiusa un gatto, una fiala di cianuro, un contatore Geiger che misuri la radioattività e un isotopo radioattivo, il quale in caso di decadimento attiva il contatore, che a sua volta rilascia il cianuro della fiala uccidendo il gatto? Il ragionamento è il seguente: l’isotopo può rilasciare radiazione a seguito di un decadimento, ma resterà in uno stato di sovrapposizione tra due possibilità (decadimento o non decadimento) finché lo sperimentatore non aprirà la scatola per verificarlo. Ciò vuol dire che, fino all’apertura della scatola, non è solo l’isotopo a restare in uno stato indeterminato, ma anche il contatore, la fiala e il gatto, vivo e morto allo stesso tempo (proprio per via del principio di complementarità). Una simile situazione è del tutto contraria al senso comune. Schrödinger propose un’idea diversa in una conferenza nel 1952, sostenendo che le varie alternative che si verificano all’interno della scatola possono esistere in contemporanea: il gatto non si trova in uno stato indeterminato vita-morte, ma è vivo in una scatola e morto in un altra. Fu una boutade, ma cinque anni dopo venne ripresa e perfezionata dall’allora ventiquattrenne Hugh Everett III all’Università di Princeton. Everett si rese conto che il collasso della funzione d’onda era un artificio, un’invenzione dei fisici per spiegare perché, nel mondo reale, non assistiamo alla complementarità anche nei sistemi macroscopici come i gatti. Se abolissimo il collasso, dovremmo ammettere che tutte le probabilità espresse dalla funzione d’onda sono ugualmente reali in altri universi.



Il supervisore della tesi di dottorato di Everett, John Archibald Wheeler, rimase molto colpito da quella soluzione radicale. I suoi entusiasmi si raffreddarono, tuttavia, quando sottopose la bozza della tesi al suo mentore, Niels Bohr, a Copenaghen. Bohr la bocciò senza mezzi termini, costringendo Wheeler a sottoporre la tesi di Everett a un’ampia revisione affinché la nuova interpretazione della meccanica quantistica da essa espressa non risultasse una totale inversione di marcia rispetto a quella di Copenaghen.

Wheeler propose soprattutto che si eliminasse il concetto di “divisione” della realtà proposto da Everett, secondo cui ogni osservazione compiuta su un fenomeno quantistico non produce il collasso della funzione d’onda, ma la divisione dell’universo in due diverse varianti. Non sorprende che l’articolo con cui Everett presentò la sua tesi sulla Reviews of Modern Physics finì del tutto ignorato. A rilanciarlo, all’inizio degli anni Settanta, fu Bryce DeWitt, discepolo di Wheeler rimasto folgorato dall’articolo di Everett resosi conto che, nel suo ambiente, nessuno ne sapeva niente. In un articolo divulgativo pubblicato nel 1970 su Physics Today, DeWitt definì l’ipotesi di Everett “interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica”, e riprese questa fortunata definizione in un libro del 1973, The Many World Interpretation of Quantum Mechanics.



Everett, che nel frattempo aveva lasciato la fisica teorica per lavorare al Dipartimento della Difesa in attività collegate alle strategie nucleari della Guerra fredda, divenne quasi d’un tratto una star. Aveva nel frattempo avuto modo di rivedere la sua iniziale concezione della “divisione” della realtà. In un seminario privato con alcuni fisici di primo piano poco soddisfatti dell’interpretazione di Copenaghen, nel 1962, aveva chiarito che la sua teoria prevede l’esistenza di innumerevoli “ramificazioni” della realtà: l’osservazione di un fenomeno non determina la “morte” di tutti i rami tranne uno (per esempio tutte le diramazioni in cui il gatto nella scatola è morto anziché vivo), ma la loro contemporanea esistenza in altri universi. Non si verifica dunque alcuna divisione della realtà, ma la contemporanea esistenza di tutti i possibili risultati di un esperimento; il che, esteso a livello macroscopico, vuol dire la contemporanea esistenza di tutti i mondi possibili. Come nella biblioteca di Babele di Borges, dunque, tutto ciò che può esistere esiste da qualche parte, oltre l’universo che conosciamo.

David Deutsch, che insegna fisica all’Università di Oxford ed è oggi il principale sostenitore dell’interpretazione a molti mondi, ne dà la seguente spiegazione: «Ogni volta che osserviamo qualcosa – uno strumento scientifico, una galassia o un essere umano – in realtà guardiamo dalla prospettiva di un solo universo un oggetto più grande che si estende anche in altri universi. In alcuni di questi, l’oggetto ha esattamente lo stesso aspetto che ha per noi, in altri appare diverso o è del tutto assente. Quella che per un osservatore è una coppia sposata, in realtà è solo un frammento di una vasta entità che comprende molti esemplari fungibili della coppia, insieme ad altri esemplari dei due che hanno divorziato e ad altri che non si sono mai sposati».



L’interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica comporta alcune conseguenze estremamente bizzarre. Una di queste fu ipotizzata dallo stesso Everett: pur essendo un ateo convinto, egli riteneva che la sua teoria implicasse l’immortalità. Se infatti esistono innumerevoli copie di noi in altri mondi (o universi) che differiscono dal nostro solo per qualche minimo particolare, e se queste copie sono tutte fungibili (come Deutsch specificava nella citazione riportata sopra), il che vuol dire che non sono come noi, ma sono noi (esattamente come tutte le monete da un euro sono fungibili, cioè possono differire per piccole imperfezioni ma sono dal nostro punto di vista interscambiabili), allora siamo destinati a non morire mai: più precisamente, non osserveremo mai la nostra morte, poiché continueremo a vivere in quegli universi dove siamo ancora vivi, mentre non vivremo più in quelli dove la nostra morte si è verificata solo dal punto di vista degli osservatori esterni (per esempio i nostri familiari). Quando, qualche anno dopo la morte prematura di Everett a soli 51 anni, sua figlia Liz si suicidò, lasciò scritto che stava raggiungendo il padre in un universo parallelo.



Il fisico e matematico Max Tegmark ha immaginato un esperimento mentale, il “suicidio quantistico”, che permetterebbe in linea di principio di verificare la correttezza dell’interpretazione a molti mondi: se prendiamo una pistola che spara un proiettile solo quando – come nella scatola del gatto di Schrödinger – un isotopo in sovrapposizione quantistica effettua un decadimento radioattivo, mentre nell’interpretazione di Copenaghen l’interazione tra l’isotopo e l’aspirante suicida che preme il grilletto provoca il collasso della funzione d’onda, per cui la pistola ha il 50% di possibilità di sparare un colpo, nell’interpretazione a molti mondi potremmo premere il grilletto quante volte vogliamo, ma non moriremmo mai. In molti universi, qualcuno scoprirebbe certo il nostro cadavere, vittima di questa macabra versione quantistica della roulette russa; ma continueremmo a vivere nelle altre ramificazioni dell’universo. Il fisico del MIT Seth Lloyd ha offerto un milione di dollari a chi volesse sottoporsi a un simile esperimento, ma non ha trovato finora volontari: Don Page, suo collega e convinto sostenitore dei molti mondi, adduce come giustificazione il fatto che l’esperimento lascerebbe pur sempre vedove molte copie di sua moglie.

Tegmark, d’altro canto, è così persuaso dall’ipotesi del multiverso, da averla elaborata nel suo libro L’universo matematico fino a incorporare la congettura di Everett nella più ampia teoria dell’Universo Matematico da lui proposta: tutte le strutture che esistono sul piano matematico esistono anche sul piano fisico. Vale a dire che i molti mondi di Everett, versioni diverse del nostro, non sono che un sotto-insieme del vero multiverso, che comprende anche universi basati su strutture matematiche completamente diverse dalle nostre, ciascuno con i suoi “molti mondi”, ossia infinite varianti possibili.



Nel loro libro Ogni cosa è indeterminata – una disamina dell’impatto nell’immaginario popolare della fisica quantistica – Robert Crease e Alfred Scharff Goldhaber riconoscono che la teoria di Everett sia «una delle meno plausibili e realistiche di tutta la storia della scienza»; eppure ci sono fior di fisici contemporanei, come David Deutsch o Stephen Hawking, che l’accettano senza riserve; in un sondaggio informale condotto da Max Tegmark a un convegno tenuto nel 2011 in Austria sul tema “Fisica quantistica e natura della realtà”, il 18% dei convenuti si è espresso a favore dell’interpretazione a molti mondi. Resta certo una tesi minoritaria, ma per molti assolutamente credibile. I due studiosi spiegano così il suo appeal: «Un nostro collega, uno psichiatra, parla spesso dell’impulso irrefrenabile – suo e dei suoi pazienti – di dire “avrei dovuto fare in quell’altro modo!”, riferendosi al bisogno di accompagnare questa frase con il bisogno di chiedersi che cosa sarebbe accaduto optando per l’altra scelta. La sola idea che avremmo potuto decidere diversamente ci rassicura».



Se dal punto di vista epistemologico la meccanica quantistica è una descrizione precisa e sperimentalmente verificabile (nonché verificata quotidianamente dagli esperimenti) del mondo sub-atomico, dal punto di vista ontologico resta un profondo mistero. Non c’è da meravigliarsi della grande presa che esercita sull’immaginario collettivo. Crease e Goldhaber parlano di quantum moment, di “momento quantistico”, per definire l’epoca culturale in cui viviamo, successiva al “momento newtoniano” che vide il trionfo della concezione deterministica del mondo. L’accettazione dei paradossi della fisica quantistica, di concetti radicalmente contrari al senso comune come la complementarità, la sovrapposizione di stati, l’indeterminazione, il rapporto tra osservatore e sistema osservato, fino ai molti mondi della teoria di Everett, non sarebbe mai stata possibile in epoche precedenti. Il “momento quantistico” è coinciso con un’epoca “dissociata” che è quella in cui viviamo, in cui la tradizionale idea che la realtà possa essere completamente conoscibile e comprensibile è stata definitivamente abbandonata, per far spazio a idee nuove e radicali. Magari gli universi paralleli e le biforcazioni della realtà non esisteranno davvero; ma risulta sempre più evidente che la realtà è definita dai modelli che usiamo per descriverla, e che questi modelli sono legati al “momento” culturale dell’epoca in cui li elaboriamo.

Roberto Paura (1986) svolge un dottorato di ricerca in comunicazione della fisica all’Università di Perugia. Giornalista scientifico, ha lavorato per Fanpage e per la Città della Scienza di Napoli, ed è attualmente direttore della rivista Futuri dell’Italian Institute for the Future, redattore per Quaderni d’Altri Tempi e collaboratore per Il Tascabile e Query. Cura inoltre la collana di divulgazione scientifica Megaverso per le Edizioni Cento Autori, in cui è apparso quest’anno il suo libro Universi paralleli. Perché il nostro universo potrebbe non essere l’unico.