Il grande, il piccolo e la mente umana 8870784843, 9788870784848 [PDF]

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Roger Penrose

Il grande, il piccolo e la mente umana con Abner Shimony, Nancy Cartwrigl e Stephen Hawking a cura di Malcolm Longair

Nuova edizione

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Raffaello Cortina Editore':

www .raffaellocortina.it

Titolo originale

The Large, the Small and the Human Mind © 1999 Cambridge University Press First published 1997 Traduzione di Nicoletta Notarianni ISBN 88-7078-612-9

© 2000 Raffaello Cortina Editore Milano, via Rossini 4 Prima edizione: 1998 Nuova edizione: 2000

INDICE

Introduzione (Malcolm Longair)

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1. Spazio-tempo e cosmologia

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2. I misteri della fisica dei quanti

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3. La fisica e la mente

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4. La natura della mente, la meccanica quantistica

e l'attualizzazione delle potenzialità (Abner Sh imony)

145

5. Perché la fisica? (Nancy Cartwright)

161

6. Le obiezioni di un riduzionista spudorato (Stephen Hawking)

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7. Penrose replica

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Appendice 1 Il teorema di Goodstein e il pensiero matematico

187

Appendice2 Esperimenti per controllare la riduzione di stato indotta dalla gravità

193

VII

INTRODUZIONE

Uno degli eventi intellettualmente più stimolanti dell'ultimo decennio è costituito dalla pubblicazione di un certo numero di testi in cui scienziati eminenti cercano di trasmettere sia i contenuti essenziali sia il fascino della loro disciplina a un pubblico di non iniziati. Tra gli esempi più rappresentativi ricordiamo Dal Big Bang ai buchi neri. Breve storia del tempo di Stephen Hawking che ha ottenuto uno straordinario successo editoriale; Caos di James Gleick, che mostra come un argomento di grande difficoltà concettuale possa venire trasformato in un appassionante racconto poliziesco; e Il sogno dell'unità dell'Universo di Steven Weinberg, capace di rendere sorprendentemente accessibili e attraenti la struttura e gli obiettivi dell'attuale fisica delle particelle. In questa ondata di testi divulgativi spicca il libro di Roger Penrose La mente nuova dell'imperatore (1989) per delle caratteristiche che lo dis.tinguono da tutti gli altri. Mentre quei vari autori tentavano di comunicare contenuti e fascino della scienza contemporanea, il libro di Penrose mostrava con grande originalità come aspetti apparentemente eterogenei della fisica, della matematica, della biologia, della scienza del cervello e persino della filosofia potessero convergere in una nuova sintesi, che, se pur non del tutto definita, presenta i tratti di una nuova teoria dei processi fondamentali. Non deve sorprendere, dunque, che La mente nuova dell'imperatore abbia suscitato una lunga serie di discussioni e che, nel 1994, Penrose abbia pubblicato un secondo volume, Ombre della

1

INTRODUZIONE

mente, in cui, oltre a replicare alle numerose critiche che gli erano state rivolte per il primo, cerca di chiarire e di sviluppare le proprie tesi. Infine, nell'ambito delle Tanner Lectures del 1995, egli ha presentato un compendio dei temi più importanti affrontati nei due libri, discutendo il tutto con Abner Shimony, Nancy Cartwright e Stephen Hawking. Le tre conferenze riprodotte nei capitoli 1-3 di questo volume rappresentano un'introduzione, facile e leggibile, ai concetti esposti in maniera assai più dettagliata e specialistica nelle due opere precedenti; mentre i capitoli 4, 5 e 6 contengono le critiche dei suoi interlocutori su queste stesse questioni. Penrose ha avuto la possibilità di replicare, e di riproporre le sue tesi nel capitolo 7. In questa introduzione non intendo sintetizzare o illustrare ulteriormente le idee di Penrose (le sue pagine sono sufficientemente eloquenti!), ma delineare lo scenario che aiuti a comprendere la peculiarità del suo approccio ad alcuni dei problemi più profondi della scienza contemporanea. Al di là dei riconoscimenti che gli sono stati tributati in campo internazionale per il suo talento di matematico, Penrose ha sempre voluto collocare la propria ricerca nel contesto della fisica. I lavori per cui è più celebre nell'ambito dell'astrofisica e della cosmologia riguardano alcuni teoremi nell'ambito delle teorie relativistiche della gravità, e parte del suo lavoro è stata condotta in stretta collaborazione proprio con Stephen Hawking. Uno di questi teoremi mostra che inevitabilmente, stando alle classiche teorie relativistiche della gravità, all'interno di un buco nero c'è una singolarità fisica, cioè una regione di spazio in cui la curvatura dello spazio, ovvero - il che è equivalente la densità della materia, diventa infinitamente grande. Un secondo afferma che, sempre stando alle classiche teorie relativistiche della gravità, c'è inevitabilmente un'analoga singolarità fisica all'origine nei modelli cosmologici basati sul Big Bang. Tali risultati indicano che, in un certo senso, tali teorie sono seriamente incomplete, in quanto singolarità fisiche andrebbero evitate in ogni teoria fisica significativa. Questo è soltanto un aspetto, però, di una vasta serie di 2

INTRODUZIONE

contributi a numerose aree della matematica e della fisica matematica. Il cosiddetto processo Penrose è un modo mediante cui le particelle possono estrarre energia rotazionale dai buchi neri rotanti. I diagrammi di Penrose vengono abitualmente usati per studiare il comportamento della materia in prossimità di buchi neri. Questo approccio è guidato da una fortissima sensibilità geometrica, quasi pittorica, che il lettore potrà riscontrare continuamente nei primi tre capitoli, e che si esprime, per esempio, nelle figure "impossibili" di M.C. Escher e nelle "tessere" [tiles] di Penrose. Vale la pena di ricordare che fu uno scritto a due firme, di Roger e di suo padre, L.S. Penrose, a ispirare un certo numero dei disegni "impossibili" di Escher. Inoltre, le figure intitolate "Cerchio limite" di Escher vengono utilizzate nel capitolo 1 quando Penrose manifesta il proprio entusiasmo per le geometrie iperboliche. Le tessere di Penrose, a loro volta, sono costruzioni geometriche di estremo interesse, dal momento che un piano infinito può venire ricoperto completamente con tessere di un piccolo numero di forme differenti. Gli esempi più seducenti mostrano come si possa coprire completamente un piano infinito senza mai ripetersi - vale a dire che la medesima configurazione di tessere non ricorre in alcun punto del piano infinito. Nel capitolo 3 questa tematica viene collegata al problema di come far eseguire al computer specifici insiemi di procedure matematiche definite con precisione. Penrose, dunque, ci presenta qui una formidabile famiglia di concetti matematici e una straordinaria varietà di risultati nel campo della matematica e della fisica, allo scopo di esplorare i problemi più profondi della fisica contemporanea. L'importanza e la serietà di tali problemi è fuori discussione. I cosmologi hanno buone ragioni per ritenere che il Big Bang offra il quadro più convincente a nostra disposizione per comprendere le caratteristiche a larga scala del nostro Universo. Nondimeno, tale quadro appare gravemente incompleto per più di un aspetto. Secondo un'opinione condivisa dalla maggior parte dei cosmologi, disporremmo ormai di una buona comprensione della fisica di base necessaria per spiegare

IN1RODUZIONE

globalmente le caratteristiche dell'Universo sin dal primo millesimo di secondo e in tutta la sua evoluzione fino allo stato attuale. Il quadro risulta soddisfacente, però, solo se noi fissiamo le condizioni iniziali con una certa precisione. Il problema qui è che si va al di là della fisica controllata e ben convalidata quando ci si occupa dell'Universo prima di circa un millesimo di secondo dalla sua comparsa, e così dobbiamo basarci su estrapolazioni plausibili dalle leggi note della fisica. Conosciamo abbastanza bene quali debbano essere state queste condizioni iniziali, ma perché siano emerse proprio loro, e non altre, è oggetto di speculazione. L'unico punto di accordo è che si tratti comunque di uno dei problemi più importanti della cosmologia contemporanea. Per cercare di rispondere a questi o ad altri interrogativi affini, si è costruito un quadro concettuale, noto come teoria inflazionaria dell'Universo primordiale. Anche in questa raffigurazione, si suppone che alcune caratteristiche del nostro Universo siano emerse nei primissimi istanti significativi, in quella che viene chiamata epoca di Planck, ove diventa necessaria una buona comprensione della gravità quantistica. È l'epoca in cui l'Universo aveva un'età di circa 10-43 secondi, il che può sembrarci qualcosa al limite del pensabile, ma, sulla base di ciò che sappiamo oggi, queste epoche "estreme" vanno prese seriamente in considerazione! Penrose accetta il quadro convenzionale del Big Bang nella misura in cui gli sembra plausibile, ma respinge la spiegazione inflazionaria degli stadi primordiali. Preferisce pensare che manchino ancora le nozioni fisiche che andrebbero collegate a una appropriata teoria quantistica della gravità, una teoria che, per l'appunto, non possediamo ancora, nonostante gli sforzi, per anni, di molti studiosi in questa direzione. Ma secondo Penrose si è cercato di risolvere il problema sbagliato. Per il nostro autore, quello che va considerato con attenzione è, prima di tutto, il problema dell'entropia dell'Universo inteso come un tutto. Poiché l'entropia - o, per dirlo in termini più semplici, il disordine - aumenta nel tempo, l'Universo deve avere avuto inizio in uno stato in cui l'ordine era dominan4

INTRODUZIONE

te, e l'entropia era minima. La probabilità che ciò sia avvenuto per caso è straordinariamente piccola. Penrose sostiene che questo problema deve venir affrontato e risolto nel contesto di una adeguata teoria della gravità quantistica. Ai problemi della fisica quantistica, discussi nel secondo capitolo, il lettore viene portato proprio da questa esigenza di quantizzazione. La meccanica quantistica e la sua estensione relativistica nella teoria quantistica dei campi sono riuscite a spiegare in modo ammirevole molti risultati sperimentali che riguardano la fisica delle particelle e le proprietà degli atomi e delle molecole. Sono stati comunque necessari molti anni perché questa teoria venisse compresa nella pienezza del suo significato.D'altronde, e questo aspetto viene illustrato da Penrose con grande efficacia, nella struttura intrinseca di questa teoria compaiono tratti fortemente non intuitivi, che non hanno un corrispettivo nella fisica classica. Per esempio, il cosiddetto fenomeno della non località: in breve, esso significa che, quando si forma una coppia di particelle materia-antimateria, ogni particella mantiene una "memoria" del processo di creazione, nel senso che le due non possono venir considerate del tutto indipendenti l'una dall'altra. Come dice Penrose, "l'intreccio quantistico [quantum entanglement] è una cosa veramente straordinaria [. .. ]. È da qualche parte tra oggetti che sono separati e che tuttavia restano in comunicazione l'uno coll'altro". La meccanica quantistica ci consente di avere informazioni circa processi che potrebbero essere accaduti, ma che non accaddero. L'esempio più scioccante che egli discute è il problema di Elitzur-Vaidman del test della bomba, che ci fa capire quanto la meccanica quantistica differisca dalla fisica classica. Alle difficoltà rappresentate dal carattere intrinsecamente non intuitivo della fisica quantistica si accompagnano altri problemi, ancor più profondi. Quelli su cui Penrose concentra maggiormente la sua attenzione riguardano il modo in cui colleghiamo fenomeni che occorrono a livello quantistico al livello macroscopico in cui si effettua un'osservazione di un sisttma quantistico. Si tratta Ji un tt::rreno controverso. La

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IN1RODUZIONE

maggior parte dei fisici si limita a usare le regole della meccanica quantistica come strumenti computazionali in grado di fornire risposte straordinariamente accurate. Se si applicano correttamente le regole, si ottengono le risposte corrette. Questo implica, però, una certa ineleganza nel processo di trasposizione dei fenomeni dal semplice mondo lineare a livello quantistico al mondo dell'esperimento reale. Tale processo richiede ciò che è noto come "collasso della funzione ~ d'onda" o "riduzione del vettore di stato". Penrose crede che nel quadro convenzionale della meccanica quantistica manchino parti fondamentali di fisica. Sostiene infatti che è necessaria una teoria completamente nuova, in grado di incorporare ciò che chiama "la riduzione oggettiva della funzione d' onda" come parte integrale della teoria. Questa nuova teoria deve ridursi all'usuale meccanica quantistica e alla teoria quantistica dei campi nell'appropriato caso limite, ma è probabile che porti alla luce nuovi fenomeni fisici. Tra questi potrebbero trovarsi le soluzioni al problema della gravità quantistica e della fisica dell'Universo primordiale. Nel capitolo 3 Penrose tenta di scoprire tratti comuni fra matematica, fisica e mente umana. Dobbiamo constatare più volte, con una certa sorpresa, che la più rigorosamente "logica" tra le discipline scientifiche, la matematica astratta, non può venire programmata su un computer digitale, indipendentemente dalla accuratezza e dall'ampiezza della memoria di quest'ultimo. Un computer non può scoprire teoremi matematici nello stesso modo in cui lo fanno gli esseri umani. Questa sorprendente conclusione viene derivata da una variante del celebre teorema di Godei. Secondo Penrose, ciò significa che il processo del pensiero matematico e, per estensione, tutto il pensiero e il comportamento coscienti sono eseguiti da strumenti "non computazionali". Si tratta di una "prova" molto feconda, perché la nostra intuizione ci dice che un'enorme varietà delle nostre percezioni coscienti sono anch'esse "non computazionali". L'importanza di questo risultato all'interno delle sue argomentazioni complessive è tale che Penrose ha dedicato più di metà di Ombre della mente a 6

INTRODUZIONE

mostrare che la sua interpretazione del teorema di Godei era ineccepibile. Nella prospettiva di Penrose i problemi della meccanica quantistica e quelli della spiegazione della coscienza sono connessi in molti modi diversi. La non località e la coerenza quantistica suggeriscono, in linea di principio, modalità in cui ampie zone del cervello potrebbero agire coerentemente. Gli aspetti non computazionali della coscienza possono essere coinvolti nella riduzione oggettiva della funzione d'onda a osservabili macroscopiche. Non pago di aver enunciato dei principi generali, Penrose tenta di identificare all'interno del cervello i tipi di struttura che potrebbero trovarsi alla base dei processi fisici di questo nuovo genere. Il mio breve sommario certo non esprime in maniera adeguata l'originalità e la fecondità di tali idee, né la brillante chiarezza con cui vengono sviluppate in questo volume. Non vanno inoltre passati sotto silenzio alcuni temi che restano impliciti, ma che svolgono un ruolo importante nel determinare la direzione della ricerca di Penrose. Forse, il più importante è la stupefacente capacità della matematica nel descrivere processi fondamentali nel mondo della natura. Come dice Penrose, in un certo senso il mondo fisico emerge dal mondo platonico della matematica. E una nuova matematica spesso non nasce dalla necessità di descrivere il mondo, o di effettuare esperimenti e osservazioni con regole matematiche; invece, la comprensione della struttura del mondo può scaturire da un allargamento dei principi generali e dalla matematica considerata in sé e per sé. Non deve affatto sorprendere che tali audaci affermazioni abbiano incontrato resistenze. Le preoccupazioni e le curiosità di molti esperti, che provengono da campi disciplinari assai diversi, hanno trovato modo di manifestarsi nei contributi degli interlocutori di Penrose. Abner Shimony concorda con lui circa un certo numero di obiettivi - per esempio, sull'incompletezza della formulazione standard della meccanica quantistica, e sul fatto che i concetti della meccanica quantistirn siauo impurlanti pt!r l:omprt!n = wlA> + zlB> Ora, nella meccanica quantistica siamo meno interessati alla grandezza dei numeri che non al loro rapporto. C'è una regola nella meccanica quantistica che permette di moltiplicare

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I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

lo stato per un numero complesso e ciò non cambia la situazione fisica (purché il numero complesso non sia zero). In altre parole, è solo il rapporto di questi numeri complessi che ha diretto significato fisico. Quando entra in gioco R, consideriamo le probabilità, e allora sono i rapporti dei moduli al quadrato a essere importanti; ma se ci fermiamo al livello quantistico, possiamo sperare di interpretare i rapporti tra questi numeri complessi in sé, anche prima di considerarne i moduli. La sfera di Riemann è un modo per rappresentare i numeri complessi su una sfera (vedi anche la Figura 1.lO(c)). Più correttamente, non abbiamo a che fare con numeri complessi, ma con rapporti di numeri complessi. Operando con dei rapporti dobbiamo procedere con attenzione perché il denominatore potrebbe risultare zero, nel qual caso il rapporto diventa infinito: e ci può capitare anche questo caso. Allora, possiamo rappresentare tutti i numeri complessi, insieme con l'infinito, su una sfera per mezzo di questa elegante proiezione in cui il piano di Argand è ora il piano equatoriale, che interseca la sfera in un cerchio unitario, che costituisce l'equatore della sfera (Figura 2.4). Evidentemente, possiamo proiettare ogni punto del piano equatoriale sulla sfera di Riemann, a partire dal polo sud della sfera. Come possiamo vedere dalla figura, il polo sud N

Figura 2.4 (a) La sfera di Riemann. Il punto P, che rappresenta u = z I w sul piano complesso, è proiettato dal polo S nel punto P' sulla sfera. La direzione OP', dal centro O della sfera, è la direzione dell'asse dello spin per lo stato sovrapposto di due particelle di spin 112.

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della sfera di Riemann corrisponde, in questa proiezione, al punto all'infinito nel piano di Argand. Se un sistema quantistico ha due stati alternativi, i differenti stati che possono essere ottenuti dalla loro combinazione sono rappresentati da una sfera: una sfera astratta, almeno in questa fase; ma ci sono circostanze nelle quali possiamo realmente vederla. Sono molto affezionato all'esempio seguente. Se abbiamo una particella di spin 1/2, come un elettrone, un protone, o un neutrone, allora le varie combinazioni dei loro stati di spin possono essere visualizzate geometricamente. Particelle di spin 112 possono avere due stati di spin, uno col vettore di rotazione che punta verso lalto (lo stato su [up]) e l'altro col vettore di rotazione che punta verso il basso (lo stato giù [down]). La sovrapposizione dei due stati può essere rappresentata simbolicamente dall'equazione

Le differenti combinazioni di questi stati di spin producono una rotazione attorno a un qualche altro asse e, se si vuole conoscere dov'è quest'asse, si deve considerare il rapporto dei numeri complessi w e z, che dà un altro numero complesso u = z/w. Si colloca questo nuovo numero u sulla sfera di Riemann e la direzione di quel numero complesso a partire dal centro è la direzione dell'asse di spin. Come si vede, i numeri complessi della meccanica quantistica non sono così astratti come potevano sembrare in un primo tempo. Essi hanno un significato abbastanza concreto; a volte questo significato è un po' difficile da cogliere immediatamente, ma nel caso della particella di spin 1/2 il significato è chiaro. L'analisi delle particelle di spin 1/2 ci dice qualcos'altro. Non c'è nulla di particolare per quanto riguarda lo spin su e lo spin giù. Avrei potuto scegliere un asse qualsiasi, sinistro o destro, o avanti e indietro: non avrebbe fatto alcuna differenza. Ciò mostra che non c'è niente di speciale per quanto riguarda i due stati da cui si comincia (eccetto il fatto che i due stati di spin scelti sono l'uno l'opposto dell'altro). Stando alle

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I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

regole della meccanica quantistica, ogni altro stato di spin è un punto di partenza tanto buono come ognuno dei due da cui abbiamo cominciato. Ciò è chiaramente illustrato in quest'esempio. La meccanica quantistica è un campo di ricerca affascinante, e ben definito. Tuttavia, presenta non pochi enigmi. È certamente un campo misterioso e, per molti aspetti, sconcertante o paradossale. Vorrei sottolineare che i suoi misteri sono di due tipi differenti. Li chiamerò misteri Z e misteri X. I misteri Z sono i misteri "rompicapo" [puZZle]: si tratta di cose che sono certamente presenti nel mondo fisico; cioè, ci sono buoni esperimenti che ci dicono che la meccanica quantistica si comporta davvero in questi modi misteriosi. Forse, qualcuno di questi effetti non è stato del tutto controllato, ma restano pochi dubbi sul fatto che la meccanica quantistica, qui, sia corretta. Questi misteri includono fenomeni quali la dualità onda/particella (cui ho fatto prima riferimento), le misurazioni nulle (di cui tratterò tra poco), lo spin (di cui sopra), e gli effetti non locali (di cui mi occuperò tra breve). Si tratta di fenomeni davvero sconcertanti [puzzling], ma soltanto poche persone ne mettono in dubbio la realtà: essi sicuramente fanno parte della natura. Ci sono altri problemi, tuttavia, che ho chiamato misteri X. Sono i misteri che prendono la forma di un "paradosso" [paradoX]. Questi, a mio modo di vedere, sono indicativi del fatto che la teoria è incompleta, sbagliata o qualcos'altro. Tutto ciò richiede ulteriore attenzione. Il principale mistero X riguarda il problema della misurazione, che ho prima discusso cioè, il fatto che le regole cambiano da U a R quando usciamo dal livello quantistico ed entriamo nel livello classico. Potremmo forse capire perché nasce questa procedura R, come un'approssimazione, o magari un'illusione, se capissimo meglio come si comportano i sistemi quantistici grandi e complicati? Il più celebre tra i paradossi X è certo il cosiddetto gatto di Schrodinger. In quest'esperimento - un esperimento mentale, sia ben chiaro, dal momento che Schrodinger fu persona di grande umanità - un gatto è nella condizione di essere vivo

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e morto nello stesso tempo. Nella nostra realtà abituale non incontriamo mai gatti di questo genere! Tornerò su questo problema tra un istante. Il mio punto di vista è che possiamo imparare a convivere felicemente coi misteri Z, ma i misteri X dovranno essere af. frontati sul serio solo quando avremo una teoria migliore. Insisto a dire che questo è davvero il mio modo di concepire i misteri X. Molti altri vedono i paradossi (apparenti?) della teoria dei quanti sotto una luce differente - o, direi, sotto molte luci di/ferenti! Vorrei esaminare rapidamente i misteri Z, prima di occuparmi dei problemi molto più seri sollevati dai misteri X. Discuterò dunque due dei più sorprendenti misteri Z. Uno di questi è il problema della non località quantistica o, come alcuni preferiscono chiamarlo, intreccio [entanglement] quantistico. È una cosa veramente straordinaria. L'idea, nella sua forma originale, viene da Einstein e dai suoi colleghi Podolsky e Roseo, ed è nota come esperimento EPR. La versione probabilmente più facile da capire è quella offerta da David Bohm. C'è una particella di spin O che si scinde in due particelle ciascuna di spin 1/2, per esempio un elettrone e un positrone che vanno in direzioni opposte. Misuriamo poi gli spin delle particelle che si allontanano verso i punti A e B, molto distanti tra loro. Un celeberrimo teorema dovuto a John Bell afferma che c'è un conflitto tra le aspettative della meccanica quantistica circa le probabilità congiunte dei risultati della misurazione nei punti A e B e ogni realistico modello "locale". Con questa espressione intendo qualsiasi modello in cui l'elettrone è una cosa in A e il positrone è un'altra cosa in B, e queste due entità sono separate l'una dall'altra - cioè non sono connesse in alcun modo. Inoltre, quest'ipotesi dà risultati per le probabilità congiunte della misurazione che potrebbe essere operata in A e in B in conflitto con la meccanica quantistica. John Bell ha enunciato il punto con grande chiarezza. Si tratta di un risultato di notevole importanza; esperimenti successivi, come quello realizzato a Parigi da Alain Aspect, hanno confermato questa predizione. L'esperimento è illu68

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strato nella Figura 2 .5 e riguarda gli stati di polarizzazione delle coppie di fotoni emesse in opposte direzioni da una sorgente posta al centro. La decisione su quale direzione di polarizzazione dei fotoni doveva venir misurata non veniva presa finché i fotoni non erano in pieno tragitto dalla sorgente verso i rivelatori posti in A e in B. Il risultato di queste misurazioni mostrava chiaramente che le probabilità congiunte per gli stati di polarizzazione dei fotoni rivelati in A e in B si accordavano con le predizioni della meccanica quantistica; come molte persone, incluso lo stesso Bell, si aspettavano; al prezzo, però, di violare l'assunto naturale che questi due fotoni siano oggetti separati e indipendenti. L'esperimento di Aspect ha stabilito effetti di intreccio quantistico su una distanza di circa 12 metri. Per quanto ne so, sono già previsti degli esperimenti con la crittografia quantistica nei quali effetti simili si producono per distanze dell'ordine di chilometri. Si noti che, in questi effetti non locali, gli eventi accadono (a)

Elettrone E

PositroneP

Stato iniziale

~--------o---------~ o Spin

1 Spin 2

1 Spin 2

A

B Interruttore ottico il"" ~

Sorgente Fotoni / intrecciati

Interruttore ottico

(b)

"""

[entangleJJ

12 metri

Figura 2.5 (a) Una particella di spin O decade in due particelle di spin 1/2, un elettrone E e un positrone P. La misurazione dello spin di una delle particelle di spin 1/2 fissa in modo apparentemente istantaneo Io stato di spin dell'altra. (b) L'esperimento EPR di Alain Aspect e dei suoi colleghi. Coppie di fotoni sono emesse dalla sorgente in uno stato intrecciato [entangled]. La decisione riguardo alla direzione in cui misurare la polarizzazione di ciascun fotone non viene presa finché i fotoni non sono già in viaggio - troppo tardi perché un messaggio raggiunga il fotone opposto e gli comunichi la direzione della misurazione.

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in punti separati, cioè in A e in B, ma restano connessi in modi misteriosi. La maniera in cui essi sono connessi - o intrecciati [entangleclJ - è qualcosa di molto sottile. Essi sono connessi in tale maniera che non c'è modo di usare questo intreccio [entanglement] per mandare un segnale da A a B; e questo è molto importante per la congruenza della teoria dei quanti con la relatività. Altrimenti, sarebbe stato possibile usare tale intreccio quantistico per inviare messaggi più veloci della luce. L'intreccio quantistico è un fenomeno molto strano: è da qualche parte, tra oggetti che sono separati e che tuttavia restano in comunicazione l'uno coll'altro. Si tratta di un fenomeno tipico della meccanica quantistica, che non ha analogo nella fisica classica. Un secondo esempio di mistero Z riguarda le misurazioni nulle, ed è illustrato dal problema del test della bomba di Elitzur-Vaidman. Immaginate di appartenere a un gruppo di terroristi e di imbattervi in un grande ammasso di bombe. Ogni bomba ha sul proprio "naso" un detonatore ultrasensibile, cosensibile che un solo fotone di luce visibile riflesso da un piccolo specchio attaccato alla punta della bomba genera un impulso sufficiente per provocare una violenta esplosione. C'è, tuttavia, un buon numero di ordigni inesplosi nell'ammasso delle bombe. Il motivo della mancata esplosione è il seguente: il delicato detonatore al quale lo specchio è collegato si è inceppato durante la fabbricazione e così, quando un singolo fotone colpisce lo specchio di queste bombe non fa muovere il percussore e la bomba non esplode (Figura 2.6(a)). Il punto chiave è che lo specchio sul "naso" della bomba inesplosa si comporta ora come un comune specchio fisso, e non come uno specchio mobile che fa parte di un meccanismo detonatore. Dunque, il problema consiste nel trovare una bomba di sicura efficacia in una riserva di tali ordigni che comprende un buon numero di bombe non funzionanti. Nella fisica classica questo problema non sembra risolvibile in alcun modo. Il solo modo per sapere se si tratta di una bomba buona sarebbe spingere il detonatore e vedere se la bomba esplode. È straordinario come la meccanica quantistica ci dia la pos-

sì

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I MIS1ERI DELLA FISICA DEI QUANTI

B

o

(b)

Figura 2. 6 (a) Il problema del test della bomba di Elitzur-V aidman. Il detonatore ultrasensibile della bomba reagirà all'impulso di un solo fotone di luce visibile - purché la bomba non sia un fallimento perché il suo detonatore è inceppato. Il problema è trovare una bomba che funzioni dawero, in un mucchio di altre bombe che non funzionano. (b) Il congegno per trovare bombe funzionanti in presenza di altre che non funzionano. Nel caso di una bomba "buona", lo specchio più in basso a destra agisce come un dispositivo di misurazione. Quando rileva che un fotone è andato per laltra strada, il rivelatore in B può ricevere il fotone, il che non può accadere per una bomba non funzionante.

sibilità di controllare [test] se qualcosa avrebbe potuto accadere ma non è accaduto. Essa "controlla" quelli che i filosofi chiamano contro/attuali. La cosa stupefacente è che la meccanica quantistica permette di derivare effetti reali da controfattuali!

ROGER PENROSE

Vi mostrerò come risolvere il problema. La Figura 2.6(b) presenta la versione originale della soluzione elaborata da Elitzur e Vaidman nel 1993. Supponete di avere una bomba non funzionante. Essa ha uno specchio che è bloccato - è solo uno specchio fisso- e così non c'è uno spostamento significativo dello specchio, e nessuna esplosione, quando un fotone rimbalza su di esso. Allestite il congegno mostrato nella Figura 2.6(b). Viene emesso un fotone che prima incontra uno specchio semiargentato. Si tratta di uno specchio che trasmette metà della luce incidente e riflette l'altra metà. Potremmo pensare che in tal modo metà dei fotoni che incontrano lo specchio passino attraverso di esso e metà, invece, rimbalzino via. Tuttavia, questo non è ciò che accade al livello quantistico dei singoli fotoni. Infatti, ogni singolo fotone, emesso individualmente dalla sorgente, si mette in uno stato di sovrapposizione quantistica di entrambe le alternative del fotone: essere trasmesso ed essere riflesso. Lo specchio della bomba si trova nella traiettoria del raggio dei fotoni trasmessi con un' angolazione di 45°. La parte del raggio fotonico che è riflessa dallo specchio semiargentato incontra un altro specchio, completamente argentato, anch'esso a una angolazione di 45°, edentrambi i raggi raggiungono infine l'ultimo specchio semiargentato, come è indicato nella Figura 2.6(b). Ci sono rivelatori in due punti, A e B. Consideriamo ciò che avviene al singolo fotone, emesso dalla sorgente, nel caso di una bomba non funzionante. Quando esso incontra il primo specchio semiargentato, lo stato del fotone è diviso in due stati separati, uno dei quali corrisponde al fotone che attraversa lo specchio semiargentato e si dirige verso la bomba non funzionante, e l'altro corrisponde al fotone che è riflesso attraverso lo specchio fisso. (Questa sovrapposizione di vie alternative del fotone è esattamente analoga a quella riscontrata nell'esperimento delle due fenditure, illustrato nella Figura 2.2. E anche essenzialmente lo stesso fenomeno che avviene quando addizioniamo degli spin.) Supponiamo che le lunghezze dei cammini dal primo al secondo specchio semiargentato siano esattamente le stesse.

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I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

Per vedere che cos'è lo stato del fotone quando questo raggiunge i rivelatori, dobbiamo paragonare le due vie che il fotone può prendere per raggiungere l'uno o l'altro dei rivelatori, dal momento che queste due vie si presentano nella sovrapposizione quantistica. Scopriamo che le vie si annullano in B, mentre si sommano in A. Così, ci può essere solo un segnale per attivare il rivelatore A e mai il rivelatore B. È proprio come la figura di interferenza illustrata nella Figura 2.2 - ci sono posizioni nelle quali non c'è intensità perché i due pezzi dello stato quantistico si annullano in quel punto. Dunque, se il riflesso proviene da una bomba non funzionante, il rivelatore A è sempre attivato, e quello B mai. Supponiamo invece di avere una bomba funzionante. Allora, lo specchio nel suo naso non è più uno specchio fisso, ma la sua capacità di muoversi trasforma la bomba in un congef!.no di misurazione. La bomba misura una o l'altra delle due alternative del fotone sullo specchio: esso può trovarsi nello stato di un fotone che è arrivato o che non è arrivato. Supponiamo che il fotone passi attraverso il primo specchio semiargentato e che lo specchio sul naso della bomba misuri che esso ha veramente preso questa via. Poi Boom!, la bomba esplode. L'abbiamo persa. Così, ci spostiamo su una nuova bomba, e proviamo ancora. Forse, stavolta, la bomba misura che il fotone non arriva: essa non esplode e in questo modo misura che il fotone ha preso l'altra via. (Questa è una misurazione nulla.) Ora, quando raggiunge il secondo specchio semiargentato, il fotone è egualmente trasmesso e riflesso, e così è ora possibile per B essere attivato. Così, con una bomba funzionante, di tanto in tanto un fotone è rivelato da B, e ciò indica che la bomba aveva misurato che il fotone aveva preso l'altra via. Il punto chiave è che, quando la bomba è una bomba funzionante, essa si comporta come un congegno di misurazione, e ciò interferisce con l'esatta cancellazione che è necessaria per impedire al fotone di essere rivelato da B, anche se il fotone non interagisce con la bomba: una misurazione nulla. Se il fotone non ha preso una via, allora deve aver preso l'altra! Se B rivela il fotone, sappiamo che la bomba si è compor-

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tata come un congegno di misurazione, e dunque era una bomba funzionante. Inoltre, con una bomba funzionante, di tanto in tanto il rivelatore B potrebbe misurare l'arrivo del fotone, e la bomba non esplodere. Questo può succedere solo con una bomba funzionante. Sappiamo che è una bomba funzionante, perché ha misurato che il fotone ha realmente preso l'altra via. La cosa è davvero straordinaria. Nel 1994 Zeilinger venne a Oxford e mi disse che aveva realmente effettuato il suo bomb testing. Per la verità, lui e i suoi colleghi non avevano utilizzato vere bombe, ma qualcosa di simile, in linea di principio: posso garantirvi che Zeilinger non è esattamente un terrorista. In seguito, mi ha detto che lui e i suoi colleghi Kwiat, Weinfurter e Kasevich avevano trovato una soluzione migliore grazie a cui potevano effettuare lo stesso tipo di esperimento senza sciupare nessuna bomba. Non entrerò nei dettagli di quel che hanno fatto, poiché si tratta di un apparato molto più complicato di quello qui descritto. In realtà, resta sempre una piccola quantità di spreco; ma ciò che conta è che, con uno spreco trascurabile, si può individuare una bomba sicuramente funzionante. Non procedo oltre in questa direzione. Gli esempi che ho fornito illustrano alcuni aspetti della straordinaria natura della meccanica quantistica e dei misteri Z. Molte persone sono come ipnotizzate da queste cose, e dicono: "Dio mio, la meccanica quantistica è meravigliosa", e hanno ragione. Essa è così sorprendente da includere dei misteri Z tra i fenomeni reali. Ma poi questi stessi tipi pensano di dover accettare anche i misteri X, e io credo che ciò sia sbagliato! Torniamo al gatto di Schrodinger. La versione dell'esperimento mentale mostrata nella Figura 2.7 non è proprio la versione originale di Schrodinger ma sarà più appropriata per i nostri intenti. Abbiamo, di nuovo, una sorgente di fotoni e uno specchio semiargentato che scinde lo stato quantistico del fotone che urta in una sovrapposizione di due stati differenti, uno del fotone riflesso e l'altro del fotone che attraversa lo specchio. Sul cammino del fotone trasmesso c'è un conge-

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I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

.. Figura 2. 7 Il gatto di Schrodinger. Lo stato quantistico include una sovrapposizione lineare di un fotone riflesso e di uno trasmesso. La componente trasmessa aziona un dispositivo che uccide il gatto, e quindi secondo l'evoluzione U il gatto si trova in una sovrapposizione di vita e di morte.

gno per rivelare i fotoni che registra l'arrivo di un fotone azionando una pistola che uccide il gatto. Il gatto può essere considerato il punto finale della misurazione; ci spostiamo dal livello quantistico al mondo degli oggetti ponderabili quando troviamo che il gatto è vivo oppure morto. Ma il problema è che se consideriamo il livello quantistico come valido fino al livello del gatto, e così via, allora dobbiamo pensare che lo stato reale del gatto sia una sovrapposizione di entrambi gli stati, vita e morte. Il punto è che il fotone è in una sovrapposizione di stati quando prende una via o l'altra, il rivelatore è in una sovrapposizione di stati spento e acceso, il gatto è in una sovrapposizione di stati vivo e morto. È da molto che il problema viene discusso. Che cosa è stato detto in proposito dai vari studiosi? Probabilmente, i differenti modi di considerare la meccanica quantistica sono di più dei fisici impegnati in questo campo di ricerca! Dire questo non è affatto incoerente, perché certi fisici quantistici sostengono nello stesso tempo punti di vista differenti. Vorrei presentarvi un'ampia categorizzazione dei punti di vista servendomi di una spiritosa osservazione conviviale di Bob Wald. E cioè: "Se si crede veramente nella meccanica quantistica, allora non si può prenderla sul serio". Mi pare che questa sia una considerazione molto giusta e profonda sia sulla meccanica quantistica sia sull'atteggiamento degli stu$osi nei suoi confronti. Nella Figura 2.8 ho diviso i fisici quantistici in varie categorie. In particolare, ho distinto

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tra quelli che credono e quelli che sono seri. Che cosa intendo con "seri"? Le persone serie usano il vettore di stato l'Jf> per descrivere il mondo reale: il vettore di stato è la realtà. Quelli che credono "veramente" nella meccanica quantistica non ritengono che questo sia latteggiamento corretto verso la propria disciplina. Nella figura ho messo i nomi di diverse persone. Per quanto ne so, Niels Bohr e coloro che fanno riferimento al gruppo di Copenhagen sono i veri "credenti". Bohr certo credeva nella meccanica quantistica, ma non prendeva sul serio il vettore di stato come descrizione del mondo. In qualche modo, l'Jf> era una costruzione tutta mentale - era il nostro modo di descrivere il mondo, non il mondo stesso. E questo porta anche a ciò cheJohn Bell ha chiamato FAPP, che sta per "For All Practical Purposes". Bell amava questo termine, forse perché suona leggermente denigratorio. Si basa sul "punto di vista della decoerenza" di cui parlerò più avanti. Quando si interroga in maniera approfondita qualcuno dei più ardenti propugnatori della filosofia FAPP, come Zurek, succede spesso di assistere a una ritirata verso la zona centrale del diagramma nella Figura 2.8. Ora, che cosa intendo con "la zona centrale del diagramma"? Ho diviso le persone "serie" in due distinte categorie. Ci sono quelli che credono che U sia la storia completa, cioè che si debba considerare levoluzione unitaria come la storia completa. Questo ci porta alla concezione dei molti mondi. Per tale concezione il gatto è veramente vivo e morto, ma i "due" gatti, in un certo senso, abitano differenti universi. Tornerò in seguito su questo punto, ma brevemente. Ho dato i nomi di alcuni di coloro che hanno esposto questo tipo di punto di vista, perlomeno a qualche stadio del loro pensiero. I sostenitori dei "molti mondi" sono quelli in mezzo al mio diagramma! Le persone che considero realmente serie riguardo a /'Jf>, e tra loro ho incluso me stesso, sono quelle che credono che U e R siano entrambi fenomeni reali. Non solo l'evoluzione unitaria avviene là fuori, per tutto il tempo in cui il sistema è in un qualche senso piccolo, ma c'è anche qualcosa di differente

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I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

"Se si crede veramente nella meccanica quantistica, allora non si può prenderla sul serio." (Bob W ald) Credono

Seri riguardo a I tp

l

~

~u

Punto di vista di Bohr ovvero "interpretazione di Copenhagen"

Rappresentazione a molti mondi

/ :

I yt> "nella mente" decoerenza FAPP per

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.....

."ff Everett DeWitt

/

Hawking

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Page

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U&R

Geroch

Zurek •• •• ~

de Broglie, Bohm Griffìths, Gell-Mann Hartle, Omnès Haag ...

Karolyhazy Pearle Ghirardi et al. Di6si, Percival, Gisin Penrose Figura 2.8

che avviene là fuori, e che, essenzialmente, è ciò che ho chiamato R: può non essere esattamente R, ma qualcosa di simile a R avviene laggiù. Se ci credete, allora potete assumere uno di questi due punti di vista. Primo: potreste sostenere che non ci sono nuovi effetti fisici da prendere in considerazione; ho collocato qui il punto di vista di de Broglie/Bohm, oltre a quelli, abbastanza diversi, di Griffiths, Gell-Mann, Hartle e Omnès. R deve svolgere un qualche ruolo, in aggiunta all'usuale U della meccanica quantistica, ma non ci si aspetta di trovare alcun nuovo effetto. Secondo: ci sono anche coloro che abbracciano un altro punto di vista, pur esso "realmente serio", - ed è quello che io personalmente sottoscrivo - cioè che qualcosa di nuovo si presenterà e cambierà la struttura della meccanica quantistica. R contraddice davvero U: qual-

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cosa di nuovo si presenterà. Ho riportato i nomi di alcuni di coloro che propendono per questo punto di vista in basso a destra. Vorrei ora soffermarmi in modo un po' più dettagliato sulla matematica e soprattutto considerare differenti punti di vista circa il gatto di Schrodinger. Torniamo all'illustrazione del gatto di Schrodinger, ma stavolta includiamo i pesi dati dai numeri complessi w e z (Figura 2.9(a)). Il fotone è diviso tra i due stati e, se si prende sul serio la meccanica quantistica, si deve anche credere che il vettore di stato sia reale e quindi credere che pure il gatto debba veramente trovarsi in qualche tipo di sovrapposizione di stati, essendo insieme vivo e morto. È utile rappresentare questi stati - morto e vivo - mediante le parentesi [brackets] di Dirac, come si mostra nella Figura 2.9(b). Dentro le parentesi di Dirac si possono mettere sia gatti sia simboli! Il gatto non è tutto, perché c'è anche la pistola, il fotone e laria circostante, insomma, c'è anche un ambiente; ogni componente dello stato è, in realtà, il prodotto di tutti questi effetti presi insieme, ma si ha ancora una sovrapposizione (Figura 2.9(b)). Come si accorda con tutto ciò il punto di vista dei molti mondi? Qualcuno arriva, vede il gatto e voi ponete il problema: "Perché nessuno vede queste sovrapposizioni di stato del gatto?". Ebbene, un sostenitore della concezione dei molti mondi descriverebbe la situazione come appare nella Figura 2.9(c). C'è uno stato in cui il gatto è vivo, con la persona che vede e percepisce un gatto vivo; e ce n'è un altro in cui il gatto è morto, con una persona che osserva un gatto morto. Queste due alternative sono sovrapposte: ho messo all'interno delle parentesi di Dirac gli stati della mente e anche della persona che osserva il gatto in ciascuno di questi stati; l'espressione della persona riflette lo stato d'animo dell'individuo. Così, il punto di vista di chi sostiene la concezione dei molti mondi è che tutto è a posto; ci sono diversi esemplari della persona che percepisce il gatto, ma abitano "differenti universi". Potreste immaginare di essere uno di questi esemplari, ma c'è un altro vostro esemplare in un universo che qualcuno direbbe "paral-

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I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

+

z

\bJ

(ff,l>

(~;

IV')=w lt;i)ll'))+z 1~)16) (e)

Figura 2.9

lelo" che vede l'altra possibilità. Naturalmente, questa descrizione dell'Universo non è molto economica; e comunque la descrizione a molti mondi presenta difetti ben più gravi. Non è dunque la sua mancanza di economia a preoccuparmi. Il guaio maggiore è che essa non risolve veramente il problema. Per esempio, perché la nostra coscienza non ci permette di percepire sovrapposizioni macroscopiche? Prendiamo il caso particolare in cui w e z sono uguali. Allora, è possibile riscrivere questo stato come mostrato nella Figura2.10, cioè, gatto vivo più gatto morto insieme con la persona che percepisce il gatto vivo più la persona che percepisce il gatto morto, più 79

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(t;f) 2

IVI) = (I t;?)

+

I~))(I tJ) + 16 )) ··········

(~) +

(@1 --····--.

(~)

(lt;?>-1~>H1 n>-16>) Figura2.10

gatto vivo meno gatto morto insieme con la persona che percepisce il gatto vivo meno la persona che percepisce il gatto morto: è come un'espressione algebrica. Si può obiettare: "ebbene, ciò è impossibile; non è a questo che somigliano gli stati percettivi!". Ma perché no? Non sappiamo che cosa significhi percepire. Come facciamo a escludere che uno stato percettivo possa contemplare un gatto vivo e morto nello stesso tempo? Se non sappiamo che cos'è una percezione, e non abbiamo una buona teoria sul perché questi stati di percezione mista sono impossibili - e questo ci porterebbe ben oltre il capitolo 3 - siamo privi di una spiegazione. Siamo in grado di spiegare perché esista la percezione di uno stato o dell'altro, ma non la percezione di una sovrapposizione. La cosa potrebbe essere incorporata entro una teoria, ma allora bisognerebbe avere anche una teoria della percezione. C'è un'altra obiezione, e cioè che, se ammettiamo che w e z siano numeri generali, questo non ci spiega perché le probabilità siano probabilità che scaturiscono dalla meccanica quantistica, tramite la regola del modulo al quadrato che ho descritto in precedenza. Queste probabilità, dopotutto, sono cose che possono essere controllate con molta precisione. Vorrei approfondire il problema della misurazione quantistica. Dovrò pertanto aggiungere qualcosa a proposito dello

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I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

intreccio quantistico [quantum entanglement]. Nella Figura 2.11 ho dato una descrizione dell'esperimento EPR nella versione di Bohm, che, ricorderete, è uno dei misteri Z della teoria quantistica. Come descrivere lo stato di particelle di spin 1/2 che vanno nelle due direzioni? Lo spin totale è zero, e così, se riceviamo qui una particella con lo spin su [up], sappiamo che la particella là deve avere uno spin giù [down]. In questo caso, lo stato quantistico per il sistema combinato sarebbe un prodotto di "su-qui" e "giù- là". Ma, se troviamo che lo spin è giù qui, allora dev'essere su là. (Queste alternative si presenterebbero se scegliessimo di esaminare qui lo spin delle particelle in direzione su/giù.) Per ottenere lo stato quantistico dell'intero sistema, dobbiamo sovrapporre queste alternative. Di fatto, abbiamo bisogno di un segno meno per far sì che lo spin totale della coppia di particelle che si sommano insieme sia zero qualunque direzione scegliamo. Ora, supponiamo di voler compiere una misurazione di spin sulla particella che sta raggiungendo il mio rivelatore "qui" e supponiamo che l'altra stia andando molto lontano, diciamo sulla Luna - così "là" è sulla Luna! Supponiamo di avere un collega sulla Luna che misura la sua particella in una direzione su/giù. Egli ha eguali probabilità di trovare che la sua particella ha spin su o spin giù. Se lui trova spin su, allora lo stato spin della mia particella dev'essere giù. Se lui trova spin giù, allora lo stato della mia particella è su. Così, considero che il vettore di stato della particella che sto per misurare è un misto di stati con spin su e spin giù egualmente probabili. Nella meccanica quantistica c'è una procedura per trattare misture di probabilità come questa. Si usa una quantità chia-

Spin totale Figura2.11

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>- I,~i:%i,;!!· .,:. .:"1;.:·))

=tf>~~r

I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

Livello quantistico (Equazione di Schrodinger) U deterministico, computabile(?) ::i

g

g ~

NUOVA (mancante) teoria non computabile OR

Livello classico (Newton, Maxwell, Einstein) deterministico, computabile (?)

e

Figura 2.17.

elegante perché (in inglese) sta anche per "oppure", e questo è veramente quello che succede, una oppure l'altra. Ma quando avviene questo processo? Io sostengo che qualcosa non quadra nel principio di sovrapposizione quando esso si riferisce a geometrie dello spazio-tempo significativamente differenti. Abbiamo incontrato il concetto di geometrie dello spazio-tempo nel capitolo l; due di esse vengono rappresentate nella Figura 2.18(a). Inoltre, nella figura rappresento la sovrapposizione di queste due geometrie dello spazio-tempo esattamente nello stesso modo della sovrapposizione di particelle e fotoni. Quando siamo obbligati a considerare la sovrapposizione di differenti spazio-tempo, sorgono non pochi problemi perché i coni di luce dei due spazio-tempo possono puntare in direzioni differenti. Questo è uno dei grandi problemi contro cui ci si scontra quando si cerca seriamente di quantizzare la relatività generale. Cercare di fare fisica all'interno di un tipo di spazio-tempo sovrapposto in maniera così buffa è qualcosa che, a mio avviso, ha finora scoraggiato tutti. Ammetto che ci sono buone ragioni per questo scoraggiamento, perché non è così che si dovrebbe fare. In qualche modo questa sovrapposizione diventa realmente uno oppure l'altro, ed è al livello dello spazio-tempo che ciò avviene (Figura 2.18(b)). Ora, si potrebbe dire: "Tutto ciò va bene in li-

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+

,

(a)

.....

...........

iOR':

(b)

Figura 2.18

nea di principio, ma quando si tenta di combinare la meccanica quantistica con la relatività generale saltano fuori questi numeri ridicoli, il tempo di Planck e la lunghezza di Planck, che sono inferiori di molti ordini di grandezza agli usuali tipi di tempo e lunghezza con cui abbiamo a che fare anche nel caso delle particelle della fisica. Niente a che vedere con scale opportune per gatti o persone. Che cosa c'entra, allora, la gravità quantistica?". lo ritengo che dobbiamo però richiamarci a essa a causa della fondamentale natura di ciò che accade. Qual è la rilevanza della lunghezza di Planck, 10-33 cm, per la riduzione dello stato quantistico? La Figura 2.19 è una raffigurazione molto schematica di uno spazio-tempo che tenta di biforcarsi. C'è una situazione che porta a una sovrapposizione di due spazio-tempo, uno dei quali potrebbe rappresentare il gatto morto e l'altro il gatto vivo, e in qualche modo sembra che questi due differenti spazio-tempo debbano sovrapporsi. Dobbiamo chiederci: "Quando cominciano a diventare abbastanza differenti che noi dovremo preoccuparci di cambiare le regole?". Si deve guardare quando, in un qual88

I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

I

Lana~~~~.-lliflil. .~J.'. scegliere

·

I Figura 2.19 Quale è la pertinenza della scala di Planck di 10-33 cm per lariduzione dello stato quantistico? Una prima risposta grossolana: quando c'è sufficiente movimento di massa tra i due stati in sovrapposizione, in modo tale che i due spazio-tempo risultanti differiscano per qualcosa dell'ordine di 10.;; cm.

che senso appropriato, la differenza tra queste geometrie è dell'ordine della lunghezza di Planck. Quando le geometrie cominciano a differire per tale quantità, bisogna preoccuparsi del che fare ed è allora che le regole potrebbero cambiare. Voglio sottolineare il fatto che qui abbiamo a che fare con degli spazio-tempo e non solo con degli spazi. Infatti, per una "separazione dello spazio-tempo alla scala di Planck" una piccola separazione spaziale corrisponde a un tempo più lungo e una separazione spaziale più ampia a un tempo più breve. Abbiamo bisogno di un criterio che ci permetta di valutare quando due spazio-tempo differiscono significativamente: questo ci condurrà a una scala del tempo per la scelta della natura tra essi. Dunque, l'idea è che la natura scelga l'uno o l'altro secondo qualche regola che non conosciamo ancora. Quanto impiega la natura per questa scelta? Possiamo calcolare questa scala del tempo in certe situazioni ben definite, quando è sufficiente l'approssimazione newtoniana alla teoria di Einstein, e quando c'è una chiara differenza tra i due campi gravitazionali soggetti alla sovrapposizione quantistica (essen-

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do le due ampiezze complesse in questione all'incirca uguali per grandezza). La risposta che suggerisco è questa. Intanto, sostituisco il gatto con un corpuscolo, un blocco sferico per esempio - il gatto ha avuto un sacco da fare e merita un po' di riposo. Quanto è grande il blocco? Fin dove si deve muovere? E qual è la scala temporale risultante perché avvenga il collasso del vettore di stato (Figura 2.20)? Considererò la sovrapposizione di uno stato (blocco nella posizione iniziale) più l'altro (blocco nella posizione spostata) come uno stato instabile: è un po' come una particella o un nucleo di uranio in decadimento o qualcosa di simile, dove essa possa decadere in una cosa o in un'altra ed esista una certa scala del tempo associata a tale decadimento. Che sia instabile è un'ipotesi, ma tale instabilità dovrà risultare conseguenza di quella fisica che ancora non comprendiamo. Per calcolare la scala del tempo occorre considerare l'energia E che si richiederebbe per spostare il blocco sferico in uno dei due stati fuori dal campo gravitazionale dello stesso blocco nell'altro stato. Prendete h, la costante di Planck divisa per 2ir, dividetela per quest'energia gravitazionale, ed ecco la scala temporale T del decadimento:

h

T=E. Ci sono molti schemi che seguono questo tipo generale di ragionamento - tutti gli schemi gravitazionali generali hanno un po' lo stesso aroma, anche se possono differire nei dettagli.

Figura 2.20 Invece di avere un gatto, la misurazione potrebbe consistere nel semplice movimento di un blocco sferico. Quanto grande deve essere il blocco, quale massa deve avere, di quanto si deve muovere, quanto a lungo deve durare la sovrapposizione perché avvenga R?

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I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

Sussistono altre ragioni che ci inducono a considerare uno schema gravitazionale di questo tipo. Una di queste è che tutti gli altri schemi espliciti per la riduzione dello stato quantistico, che tentano di risolvere la difficoltà della misurazione quantistica mediante l'introduzione di qualche nuovo fenomeno fisico, finiscono con l'incappare nei problemi della conservazione dell'energia. Le abituali regole della conservazione dell'energia tendono a essere violate. Può darsi che ciò sia davvero inevitabile. Ma, se consideriamo uno schema gravitazionale, mi sembra ci sia una grande probabilità di eludere questo problema. Non so come si debba procedere nei dettagli, e tuttavia vorrei abbozzare qui quello che ho in mente. Nella relatività generale massa ed energia sono cose abbastanza strane. Prima di tutto, la massa è uguale all'energia (divisa per la velocità della luce al quadrato) e dunque l'energia gravitazionale potenziale contribuisce (negativamente) alla massa. Di conseguenza, se avete due corpuscoli lontani, l'intero sistema ha una massa leggermente maggiore che nel caso in cui essi fossero vicini (Figura 2.21). Benché le densità della massa-energia (misurate dal tensore energia-quantità di moto) siano diverse da zero solo all'interno degli stessi corpuscoli, e il loro ammontare non dipenda significativamente dalla presenza di altri corpuscoli, c'è una differenza tra le energie totali nei due casi illustrati nella Figura 2 .21. L'energia totale è qualcosa di non locale. Anzi, nella relatività generale, c'è davvero qualcosa di fondamentalmente non locale a proposito dell'energia. Così è per il celebre esempio della pulsar binaria, menzionato nel capitolo 1: le onde gravitazionali assorbono energia positiva e massa dal sistema, ma quest'energia è dispersa nello spazio in modo tipicamente non locale. L'energia gravitazionale è qualcosa di piuttosto elusivo. Mi sembra che, se riuscissimo a combinare correttamente la relatività generale e la meccanica quantistica, avremmo buone possibilità di aggirare le difficoltà riguardanti I'energia che affliggono le teorie del collasso del vettore di stato. Il fatto è che, nello stato sovrapposto, bisogna tener conto del contributo gravitazionale all'energia nella sovrapposizione. Ma non è possibile dare

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•

•

•

•

Energia-massa più grande

Energia-massa più piccola

Figura 2.21 L'energia-massa totale di un sistema gravitazionale include

contributi puramente gravitazionali che non sono localizzabili.

un senso locale all'energia dovuta alla gravità, pertanto rimane un'incertezza di fondo a proposito dell'energia gravitazionale e quest'incertezza è nell'ordine dell'energia E descritta precedentemente. Succede esattamente così con le particelle instabili. Una particella instabile presenta a proposito della sua massa-energia un'incertezza che è correlata al suo tempo di vita dalla stessa formula. Terminerò il capitolo prendendo in esame le scale temporali esplicite che emergono col mio approccio - ritornerò su questo argomento nel capitolo 3. Quali sono i tempi di decadimento per i sistemi reali nei quali queste sovrapposizioni di spazio-tempo hanno luogo? Per un protone (che consideriamo provvisoriamente come una sfera rigida), la scala temporale è di qualche milione di anni. Questo è compatibile con quanto sappiamo, perché gli esperimenti coll'interferometro su singole particelle hanno mostrato che non possiamo veder accadere questo tipo di cose. Così, ciò è coerente. Se si prendesse una piccolissima goccia d'acqua di raggio lungo circa 10-5 cm, il tempo di decadimento sarebbe di qualche ora; nel caso del raggio di un micron, il tempo di decadimento sarebbe di un ventesimo di secondo e, per il raggio di un millesimo di centimetro, sarebbe circa un milionesimo di secondo. Queste cifre indicano il tipo di scale per cui questo genere di fisica comincia a diventare importante. Devo, però, introdurre un altro ingrediente essenziale.

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I MISTERI DELLA FISICA DEI QUANTI

Forse, sono stato un po' ironico nei confronti della filosofia FAPP, ma un elemento su cui essa insiste va preso molto sul serio: l'ambiente. L'ambiente ha un'importanza vitale in questo tipo di considerazioni, e nella discussione fin qui non ne ho parlato. Si è così costretti a fare qualcosa di molto più complicato. Si debbono considerare non solo le due particelle sovrapposte, ma la particella con il suo ambiente sovrapposta ali' altra particella e al suo ambiente. Si deve attentamente considerare se leffetto maggiore stia nella perturbazione dovuta all'ambiente o nel movimento della particella. Se è nell'ambiente, l'effetto sarà casuale e non si dovrà far altro che applicare le procedure standard. Se, invece, il sistema può essere sufficientemente isolato, in modo che l'ambiente non sia coinvolto, si potrà assistere a qualcosa di piuttosto differente dall'abituale meccanica quantistica. Sarebbe molto interessante sapere se possono essere suggeriti degli esperimenti plausibili - e conosco varie possibilità sperimentali - che controllino se questo tipo di schema rispecchia ciò che avviene in natura o se la convenzionale meccanica quantistica mantiene la propria validità anche in questi casi, e allora si deve proprio supporre che queste particelle - o anche gatti - debbano persistere in tali stati sovrapposti. Nella Figura 2.22 riassumo quanto si è cercato di fare. In questa illustrazione ho collocato le varie teorie ai vertici di un cubo distorto. I tre assi del cubo corrispondono alle tre costanti di base della fisica: la costante gravitazionale G (asse orizzontale), la velocità della luce espressa nella forma reciproca c-1 (asse diagonale), e la costante di Planck-Dirac li (asse verticale verso il basso). Ciascuna di queste costanti è molto piccola in termini ordinari, e può essere considerata eguale a zero con buona approssimazione. Se le consideriamo tutte e tre come zero, otteniamo quella che chiamo fisica galileiana (in alto a sinistra). Una costante gravitazionale diversa da zero ci fa spostare lungo l'asse orizzontale verso la teoria gravitazionale di Newton (la cui formulazione come geometria dello spazio-tempo è stata data da Cartan solo in seguito). Se, invece, ammettiamo che c-1 sia diverso da zero, otteniamo la teo-

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Fisica galileiana

G

Newton (-Cartan)

G

Relatività ristretta

Relatività

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gene~-ale

:....·

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Teoria quantistica dci campi

!.·

.

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...

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ottenendo la coppia (Sq+1> S,) all'istante di tempo successivo. Se ciò non è possibile, allora, si inverte la coppia ottenendo (S,, Sq+ 1). Si tratta di un universo molto semplice, forse 120

LA FISICA E LA MENTE

5 0 = { },

5 1 ={Cl,

Se=

.··· ·

Figura 3.10 Un modello di universo giocattolo non computabile. Gli stati dif· ferenti di questo universo giocattolo deterministico ma non computabile sono dati mediante coppie di insiemi finiti di poliomini. Finché il primo insieme della coppia ricopre il piano, l'evoluzione temporale procede facendo crescere il primo insieme in ordine numerico, mentre il secondo "segna il passo". Quando il primo insieme non ricopre il piano, la coppia si inverte e l'evoluzione continua. Potrebbe procedere, per esempio, così: (S0 , S0 ), (S0. S1l. (S1>S1), (S2,S1l. (S1,S1l, (S4,S1), ... , (S278,S251), (S251,S279), (S252,S279), ...

un po' stupido - ma qual è il punto importante? Il punto è che, per quanto la sua evoluzione sia completamente deterministica - ho dato una regola evolutiva estremamente chiara e del tutto deterministica per tale universo-, essa non è computabile. Secondo un teorema di Robert Berger, non esiste azione computazionale in grado di simulare l'evoluzione di questo universo, poiché non esiste una procedura computabile di decisione in grado di stabilire quando un insieme di poliomini coprirà il piano. Dovrebbe risultare evidente che determinismo e computabilità sono cose distinte. Nella Figura 3 .11 vengono mostrati alcuni esempi di coperture con poliomini. Negli esempi (a) e (b) le figure sono in grado di coprire il piano intero. Nell'esempio (c) le figure a destra e a sinistra non sono in grado da sole di coprire il piano. In entrambi i casi rimangono delle lacune. Ma, come si vede in (c), prese insieme esse riescono a coprire l'intero piano. Anche nell'esempio (d) il piano viene coperto; si è in grado di coprirlo solo nel modo indicato in figura, e ciò evidenzia quanto complicate possano divenire tali operazioni di copertura. 121

ROGER PENROSE

o o

Figura 3.11 Vari insiemi di poliomini in grado di ricoprire il piano euclideo infinito (sono ammesse anche le riflessioni delle tessere). Tuttavia, nessuno dei due poliomini dell'insieme (e), preso da solo, è in grado di ricoprire il piano.

Ma le cose possono andare anche peggio. Guardiamo I'esempio della Figura 3.12 - di fatto, il teorema di Robert Berger si basa sull'esistenza di insiemi di questo tipo. I tre elementi mostrati in cima alla figura sono in grado di coprire l'intero piano, ma non è possibile farlo in modo tale che la configurazione ripeta sé stessa. Ci sono continue variazioni, e non è 122

LA FISICA E LA MENTE

Figura 3.12 Questo insieme di tre poliomini ricopre il piano solamente in modo non periodico.

facile dimostrare che questa copertura è effettivamente realizzabile. Tuttavia lo è, e l'esistenza di coperture di questo tipo fa parte dell'argomento di Robert Berger da cui si deduce che non c'è programma computazionale che sia in grado di simulare questo universo giocattolo. Che cosa si può dire riguardo all'Universo reale? Nel capitolo 2 ho sostenuto che c'è qualcosa di fondamentale che

123

ROGER PENROSE

manca alla nostra fisica. Esiste qualche ragione entro la fisica per pensare che possa esistere qualcosa di non computabile in questa nostra fisica mancante? Bene, per me vi è almeno una ragione per crederlo: la vera teoria quantistica della gravità potrebbe essere non computabile. L'idea non è affatto balzana. Mostrerò che la non computabilità è caratteristica di due distinti approcci alla gravità quantistica. La differenza tra questi due approcci indipendenti coinvolge la sovrapposizione quantistica di spazio-tempo quadridimensionali. Altri approcci si occupano solo di sovrapposizioni di spazi tridimensionali. Il primo approccio è lo schema della gravità quantistica di Geroch-Hartle, che risulta avere un elemento non computabile in quanto si rifà a un risultato, dovuto a Markov, secondo cui le varietà topologiche 4-dimensionali non sono classificabili in modo computazionale. Non entrerò qui in questioni tecniche, ma ciò mostra già che la caratteristica della non computabilità si manifesta in modo naturale nei tentativi di combinare relatività generale e meccanica quantistica. Un altro approccio alla gravità quantistica in cui emerge la non computabilità è quello del lavoro di David Deutsch. Il suo punto di vista è stato enunciato dapprima in un preprint; quando ho avuto tra le mani la versione definitiva del testo, mi sono accorto, con una certa frustrazione, che il suo argomento di fondo non c'era più! Gli ho chiesto una spiegazione, ed egli mi ha assicurato che l'aveva tolto non perché lo ritenesse sbagliato, ma perché non era congruente con le altre parti del testo. Stando al suo modo di vedere in queste divertenti sovrapposizioni degli spazio-tempo va perlomeno considerata la possibilità che alcuni di questi potenziali universi abbiano linee di tipo temporale chiuse (Figura 3.13 ). Qui la causalità diventa del tutto imprevedibile, il futuro e il passato si mischiano, e le influenze causali si rincorrono in un cerchio. Ora, pur svolgendo solo un ruolo di controfattuali, come nel problema del test della bomba del capitolo 2, esse hanno ancora un'influenza su ciò che realmente accade. Senza dubbio, questo argomento non è del tutto chiaro, ma indica quantomeno che, 124

LA FISICA E LA MENTE

Figura 3.13 Con un'inclinazione abbastanza grande dei coni di luce in uno spazio-tempo si possono avere linee di tipo temporale chiuse.

nella teoria corretta della gravità - se mai la troveremo - vi è probabilmente qualcosa la cui natura non è computabile. Voglio sollevare un'altra questione. Ho già detto che determinismo e computabilità sono cose distinte. Tutto ciò si riflette sul problema del libero arbitrio. Nelle discussioni filosofiche il libero arbitrio è sempre stato trattato in termini deterministici, con domande del tipo "Il nostro futuro risulta determinato dal nostro passato?", ecc. Mi sembra che ci siano ben altre domande che meritano di essere enunciate. Per esempio, "Il futuro risulta determinato computazionalmente dal passalo?" è una domanda differente da quelle tradizionali. Da queste considerazioni nascono moltissime altre domande. Mi limiterò a esporle; certamente non pretenderò di dare le risposte. Si fanno sempre grandi discussioni su quanto le nostre azioni siano determinate dalla nostra eredità e quanto dal nostro ambiente. Una cosa di cui stranamente non si parla molto è il ruolo degli elementi casuali. In un certo senso, questi. sono fuori del nostro controllo. Ci si può chiedere: "C'è qualcos'altro, forse qualcosa chiamato sé, che differisce da es:-;i ~che è indipendente dalla loro influenza?". Anche le que:>lÌoni .ll:gali sono pertinenti a tale idea. Per esempio, la que-

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stione dei diritti o delle responsabilità sembra dipendere dalle azioni di un "sé" indipendente. Il problema potrebbe risultare piuttosto delicato. Innanzitutto, c'è la questione, relativamente immediata, del determinismo e del non determinismo. Il non determinismo classico si richiama solo a elementi casuali, ma ciò non ci aiuta molto. Tali elementi casuali sono ancora al di fuori del nostro controllo. Al loro posto si potrebbe avere la non computabilità. Si possono avere tipi di non computabilità di ordine superiore. Anzi, è curioso come argomenti del tipo di quello di Godel, già illustrato, possano essere applicati di fatto a livelli differenti. Possono essere applicati al livello di quelle che Turing chiama macchine oracolo: l'argomento, in realtà, sarebbe molto più generale di quello sopra presentato. Dunque, si dovrebbe considerare il problema se esista un qualche tipo di non computabilità di ordine superiore che riguarda la maniera in cui evolve l'Universo reale. Forse, il nostro libero arbitrio ha qualcosa a che fare con tutto questo. Ho parlato prima di contatto con un qualche tipo di mondo platonico: quale è la natura di questo "contatto platonico"? Ci sono certe parole che sembrano riguardare elementi non computabili - per esempio giudizio, senso comune, intuizione, sensibilità estetica, compassione, moralità, ... Mi sembra difficile ritrovare qui le caratteristiche della computazione. Finora, ho parlato del mondo platonico soprattutto in termini matematici, ma ci sono altre cose che potrebbero esservi incluse. Platone avrebbe certamente sostenuto che non solo il vero, ma anche il bene e il bello sono concetti assoluti (appunto "platonici"). Mi sembra che il problema dei concetti assoluti diventi rilevante nel momento in cui ammettiamo l'esistenza di un qualche contatto con gli assoluti platonici che la nostra consapevolezza ci permette di ottenere, e che non può essere spiegato nei termini del comportamento computazionale. · Quanto al nostro cervello, la Figura 3.14 ne mostra una piccola parte. Uno dei suoi principali costituenti è il sistema; dei neuroni. Una parte importante di ogni neurone è costitui-, 126

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Figura 3.14 Schizzo di un neurone connesso ad alcuni altri neuroni tramite sinapsi.

ta da una fibra molto lunga detta assone. Gli assoni si biforcano in vari posti in filamenti separati e ognuno di essi termina in una parte detta sinapsi. Queste sinapsi sono giunzioni ove i messaggi vengono trasferiti da ogni neurone verso (principalmente) altri neuroni per mezzo di sostanze chimiche dette neurotrasmettitori. Alcune sinapsi sono eccitatorie, con i neurotrasmettitori che tendono a favorire la scarica del successivo neurone e altre sono di tipo inibitorio, in quanto tendono a deprimere tale scarica. Possiamo riferirci alla capacità di una sinapsi di trasferire il messaggio da un neurone all'altro come alla intensità della sinapsi. Se tutte le sinapsi avessero intensità fissata, il cervello sarebbe molto simile a un computer. Invece, è certo che le intensità di queste sinapsi possono cambiare ed esistono varie teorie sul modo in cui cambiano. Per esempio, il. meccanismo di Hebb ha rappresentato una delle prime ipoLcsi per spiegare questo processo. Il punto è, però, che tutti i meccanismi per indurre i cambiamenti che sono stati suggeriti sono di natura computazionale, anche se con elementi aggiuntivi di tipo probabilistico. Quindi, se si ha una qualche sorta di legge computazionale-probabilistica che ci dice come cambiano queste intensità, allora si può ancora simulare l' a:r.ione del sistema di neuroni e sinapsi per mezzo di un computer (dato che gli elementi probabilistici possono anche loro venir facilmente simulati computazionalmente) e si ottiene il li po di sistema illustrato nella Figura 3 .15. Le unità illustrate nella Figura 3 .15, che immagineremo

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Rete neurale artificiale

Dati in ingresso (input)

Risultato (output)

Leggi computazionali per le alterazioni dell'intensità delle sinapsi

Figura 3.15

essere transistor, potrebbero svolgere il ruolo dei neuroni nel cervello. Per esempio, si può ricorrere a quei particolari dispositivi elettronici noti come reti neurali artificiali. In queste reti vengono inglobate varie regole che descrivono come cambiano le intensità delle sinapsi, normalmente allo scopo di migliorare la qualità di un certo risultato. Ma le regole sono sempre di natura computazionale. È facile capire che deve essere così, per lottima ragione che queste cose vengono simulate al computer. Vorrei proporre un test: se siamo in grado di implementare un modello su un computer, allora esso è computabile. Gerald Edelman, per esempio, ha alcune idee, che lui considera non computazionali, su come il cervello possa lavorare in modi non computazionali. Che cosa fa questo autore? Ha un computer che simula tutte queste proposte. Ma se esiste un computer in grado di simularle, allora sono computabili. Vorrei occuparmi adesso del problema "Cosa stanno facendo i singoli neuroni? Si comportano davvero come unità computazionali?". Ebbene, i neuroni sono cellule e le cellule sono strutture piuttosto raffinate. E lo sono al punto che, se 128

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anche ce ne è a disposizione una sola, essa è in grado di fare lo stesso cose molto complicate. Per esempio, un paramecio, animale unicellulare, è in grado di nuotare verso il cibo, sfuggire al pericolo, evitare ostacoli e, a quel che sembra, imparare dall'esperienza (Figura 3.16). Si potrebbe pensare che per tutte queste capacità occorra un sistema nervoso, ma il paramecio certamente non lo possiede. Sarebbe auspicabile che il paramecio fosse un neurone esso stesso! Ma, di certo, non ci sono neuroni in un paramecio- c'è un'unica cellula. Lo stesso tipo di considerazioni si possono fare a proposito di un'ameba. La domanda è "Come fanno?". Un'ipotesi è che il citoscheletro - la struttura che, tra l' al-

/!if!.ura 3.16 Un paramecio. Si notino le ciglia simili a peli usate per nuotare. Esse costituiscono le estremità esterne del citoscheletro del paramecio.

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tro, mantiene la forma della cellula - controlli le complicate azioni di questi animali unicellulari. Nel caso del paramecio i piccoli peli, o ciglia, che usa per nuotare sono gli estremi del citoscheletro, ed essi sono per lo più costituiti da piccole strutture a forma di tubo, dette microtubuli. Il citoscheletro è fatto da questi microtubuli, da una struttura a raggio e da filamenti intermedi. Anche le amebe si muovono utilizzando microtubuli per spingere fuori i loro pseudopodi. I microtubuli sono oggetti straordinari. Le ciglia, che il paramecio usa per nuotare, sono essenzialmente fasci di microtubuli. Inoltre, i microtubuli sono molto importanti nella mitosi, cioè nella divisione cellulare. Questo è vero per le cellule ordinarie ma, apparentemente, non per i neuroni - i neuroni non si dividono, e questa potrebbe essere una differenza importante. Il centro di controllo del citoscheletro è una struttura nota come centrosoma, la cui parte più grande, il centriolo, consiste di due fasci di microtubuli con la forma di una T separata. Nel momento in cui il centrosoma si divide, ognuno dei due cilindri del centriolo ne genera un altro, in modo da creare due centrioli a T separati l'uno dall'altro, ognuno dei quali dà l'impressione di essersi trascinato dietro un fascio di microtubuli. Le fibre dei microtubuli in qualche modo collegano le due parti del centrosoma diviso ai filamenti di DNA nel nucleo della cellula e i filamenti allora si separano. Tale processo dà inizio alla divisione cellulare. Non succede così ai neuroni in quanto essi non si dividono, e quindi i microtubuli devono avere qualche altra funzione. A cosa servono nei neuroni? Probabilmente a molte cose, tra cui a trasportare le molecole dei neurotrasmettitori all'interno della cellula, ma soprattutto sembra che servano a determinare le intensità delle sinapsi. Nella Figura 3 .17 è schematizzato il contatto tra un neurone e una sinapsi, in cui sono anche indicate le posizioni approssimate dei microtubuli e delle fibre attiniche. Un modo in cui l'intensità delle sinapsi può essere influenzata dai microtubuli è attraverso una spina di tipo dendritico (Figura 3.17). Queste spine si trovano in numerose sinapsi, che possono aumentare o restringersi o in al130

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Figura 3.17 Clatrine (e terminazioni dei rnicrotubuli) si trovano nei bottoni sinaptici dell'assone e sembra che siano coinvolte nel controllo dell'intensità delle sinapsi. Questa intensità potrebbe essere influenzata anche dai filamenti di actina nelle spine dendritiche.

tro modo cambiare la loro natura. Tali cambiamenti possono essere indotti da alterazioni nell'actina al loro interno, poiché l'actina è un costituente essenziale del meccanismo della contrazione muscolare. I microtubuli vicini potrebbero influenzare fortemente questa actina, che, a sua volta, potrebbe influenzare la forma o le proprietà dielettriche della connessione sinaptica. Ci sono almeno due differenti modi in cui i microtubuli potrebbero essere coinvolti nell'influenzare l'intensità delle sinapsi. Sono certamente coinvolti nel trasporto dei neurotrasmettitori chimici che trasmettono i segnali da un neurone all'altro. Sono i microtubuli che li trasportano lungo gli assoni e nei dendriti, e quindi la loro attività influenza la concentrazione di questi elementi chimici all'estremità degli assoni e nei dendriti. Ciò, a sua volta, potrebbe influenzare l'intensità della sinapsi. Altri effetti dei rnicrotubuli sarebbero la crescita e la degenerazione neuronale, che altera l'intera rete delle connessioni neurali. Cosa sono i rnicrotubuli? La Figura 3 .18 mostra lo schema di uno di essi. Sono piccoli tubi costituiti da proteine chiamate tubuline. Queste sono interessanti sotto diversi aspetti. Le proteine tubuliniche sembrano avere (almeno) due differenti

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Figura 3.18 Un rnicrotubulo. È un tubo cavo formato, di solito, da 13 colonne di dimeri di tubulina. Ciascuna molecola di tubulina è suscettibile di (almeno) due conformazioni.

stati, o conformazioni, e sono in grado di passare da una conformazione ali' altra. A quanto pare, i messaggi possono essere spediti lungo i tubi. Stuart Hameroff e i suoi colleghi hanno idee interessanti riguardo al modo in cui ciò avviene. Secondo Hameroff, i microtubuli si comporterebbero come automi cellulari e attraverso di essi potrebbero venir spediti segnali complicati. Si pensi a due differenti conformazioni di ogni tubulino rappresentate dallo O e dall'l di un computer digitale. Un singolo microtubulo potrebbe allora comportarsi come un computer, e di questo bisogna tener conto se si analizza cosa fanno i neuroni. Ogni neurone non si comporta solo come un interruttore; coinvolge invece moltissimi microtubuli, ciascuno dei quali è in grado di fare cose piuttosto complicate. A questo punto vorrei enunciare la mia personale posizione. La meccanica quantistica potrebbe risultare importante per la comprensione di questi processi. Per quanto riguarda i microtubuli, mi colpisce soprattutto il fatto che essi sono dei tubi. E poiché sono tubi, esiste la possibilità che essi siano capaci di isolare ciò che accade al loro interno dall'attività casuale nell'ambiente. Nel capitolo 2 ho detto che abbiamo bisogno di una qualche nuova forma di fisica OR e, se questo è importante, devono esserci movimenti di masse quantisticamente sovrapposti che sono ben isolati dall'ambiente. Potreh132

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be essere che, all'interno dei tubi, ci sia un qualche tipo di attività quantistica coerente a larga scala, qualcosa come un superconduttore. Movimenti significativi di masse sarebbero presenti solo quando tale attività inizia a essere accoppiata alle conformazioni dei tubulini (del tipo di Hameroff); in questo caso il comportamento dell'"automa cellulare" sarebbe esso stesso soggetto alla sovrapposizione quantistica. Ciò che potrebbe accadere è indicato nella Figura 3 .19. Sempre riferendosi alla figura, ci dovrebbe essere un qualche tipo di oscillazione quantistica coerente che ha luogo all'interno dei tubi e che dovrebbe estendersi ad aree molto estese del cervello. Alcune proposte di questo genere sono state avanzate, anni fa, da Herbert Frolich, che ha reso plausibile l'esistenza di qualcosa di simile nei sistemi biologici. I microtubuli sembrano essere ottimi candidati come strutture al cui interno potrebbe aver luogo questa attività quantistica coerente a grande scala. Per quanto riguarda l'espressione "a grande scala", vorrei ricordare che nel capitolo 2 ho descritto il paradosso EPR e le conseguenze della non località quantistica, una sorta di rompicapo che mostra come effetti spazialmente separati non possano essere considerati come slegati l'uno dall'altro. In meccanica quantistica occorrono effetti non locali di questo tipo, che non possono essere compresi in termini di cose separate l'una dall'altra; ciò che si verifica è un qualche tipo di attività globale. Mi sembra che anche la coscienza sia qualcosa di globale. Quindi, qualsiasi processo fisico responsabile della coscienza dovrebbe essere caratterizzato da una globalità di base. La coerenza quantistica, di certo, ha questa caratteristica. Perché essa sia possibile "a larga scala", occorre un alto grado di isolamento come quello fornito dalle pareti dei microtubuli. Ma occorre qualcosa di più, quando le conformazioni dei microtubuli entrano in gioco. L'ulteriore grado di isolamento dal1' ambiente è garantito dall'acqua "in stato ordinato" appena fuori del microtubulo. L'acqua ordinata (di cui si conosce l'esistenza nelle cellule viventi) sarebbe anche verosimilmente un ingrediente importante di qualsiasi oscillazione quantistica 133

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Acqua ordinata (detta anche "vicinale")

Figura 3.19 I sistemi di microtubuli all'interno di (insiemi di) neuroni possono sostenere a larga scala attività quantistica coerente, dove i singoli episodi OR costituiscono gli eventi consci. È richiesto un isolamento reale di questa attività, possibilmente attraverso dell'acqua ordinata che circondi i microtubuli. Un sistema di interconnessioni fatto di proteine associate ai microtubuli (MAP) potrebbe "modulare" questa attività, collegandosi ai "nodi" dei microtubuli.

coerente che abbia luogo all'interno dei tubi. Sembra una cosa difficile, ma forse non è irragionevole che sia così. Le oscillazioni quantistiche all'interno dei tubi dovrebbero in qualche modo essere accoppiate alle azioni dei microtubuli, cioè ali' attività dell'automa cellulare di cui parla Hameroff, ma a questo punto la sua idea deve essere combinata con la meccanica quantistica. Dunque, non abbiamo solo attività computazionale del tipo ordinario, ma anche computazione quantistica che si riferisce alla sovrapposizione di differenti azioni. Se non ci fosse nient'altro, rimarremmo al livello quantistico. A un certo punto lo stato quantistico potrebbe collegarsi con l'ambiente. Quindi, torneremmo al livello classico in un modo apparentemente casuale, secondo la normale procedura R della meccanica quantistica. Ciò, però, non è soddisfa134

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cente, se vogliamo avere una non computabilità genuina. Pertanto, gli aspetti non computabili di OR devono manifestare sé stessi, e ciò richiede un notevole isolamento. Per questo sostengo che occorre qualcosa nel cervello che sia abbastanza isolato da consentire alla nuova fisica OR di svolgere un ruolo importante. Ciò di cui abbiamo bisogno è che le computazioni microtubulari sovrapposte, nel loro prodursi, siano sufficientemente isolate affinché la nuova fisica riesca a entrare in gioco. Il quadro che ho delineato è tale che, per un certo tempo, queste computazioni quantistiche procedono e rimangono isolate dal resto del materiale, abbastanza a lungo - forse qualcosa dell'ordine del secondo -, in modo che gli aspetti di cui ho parlato portino oltre le procedure quantistiche standard, gli ingredienti non computazionali entrino in gioco, e si abbia qualcosa di completamente differente dalla teoria quantistica standard. Naturalmente, c'è una discreta quantità di speculazione in molte di queste mie idee. Tuttavia, esse sono genuinamente orientate verso un quadro molto più specifico e quantitativo delle relazioni tra coscienza e processi biofisici rispetto ad altre prospettive di ricerca. Si può, perlomeno, iniziare a calcolare quanti neuroni occorrono affinché quest'azione OR possa diventare rilevante. Abbiamo bisogno di una qualche valutazione del tempo T, la scala temporale di cui ho parlato verso la fine del capitolo 2. In altre parole, assumer:ido che gli eventi della coscienza siano collegati alle occorrenze OR, come dobbiamo stimare T? Ovvero, quale durata è necessaria per la coscienza? Ci sono due tipi di esperimenti, entrambi associati a Libet e ai suoi collaboratori. Uno riguarda il libero arbitrio o coscienza attiva; l'altro, la sensazione o coscienza passiva. Consideriamo anzitutto il libero arbitrio. Negli esperimenti di Libet e Kornhuber si chiede a un soggetto di premere un bottone in un istante del tutto determinato dalla sua volontà. Alla sua testa sono posti degli elettrodi che misurano l'attività elettrica nel cervello. Le prove vengono ripetute molte volte e i risultati vengono dati in media (Figura 3.20(a)). Il risultato è

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che viene chiaramente evidenziata un'attività cerebrale quasi un secondo dopo l'istante in cui il soggetto crede di avere preso la decisione. Così, il libero arbitrio sembra caratterizzato da un qualche ritardo, dell'ordine di un secondo. Ancor più interessanti sono gli esperimenti circa la coscienza passiva, ma più difficili da realizzare. Essi sembrano indicare che c'è un'attività cerebrale di circa mezzo secondo in anticipo rispetto a quando una persona diventa passivamente consapevole di qualcosa (Figura 3 .20(b)). In questi esperimenti si ha modo di evidenziare l'esperienza cosciente di uno stimolo sulla pelle, fino a mezzo secondo dopo che lo stimolo si è verificato realmente! Quando la procedura sperimentale non viene eseguita, il soggetto crede che l'esperienza dello stimolo alla pelle si sia verificata nello stesso istante dello stimolo. Invece, potrebbe essere stata avvertita mezzo secondo dopo l'istante dello stimolo. Questi esperimenti appaiono come veri e propri rompicapo, in particolare quando vengono condotti contemporaneamente. Essi ci dicono che, per emergere, la consapevolezza di un atto di volontà sembra richiedere circa un secondo, mentre la coscienza di una sensazione richiede circa mezzo secondo. Se si immagina che la coscienza sia una cosa che fa qualcosa, allora ci si trova di fronte a un paradosso. Si ha bisogno di mezzo secondo prima di diventare consapevoli di un qualche evento. Poi si cerca di utilizzare la coscienza per fare qualcosa. Si ha bisogno di un altro secondo perché il nostro libero arbitrio agisca cioè si ha bisogno all'incirca di un secondo e mezzo. Perciò, se qualcosa richiede una risposta conscia e volontaria, c'è bisogno di un secondo e mezzo prima che se ne possa fare uso. Bene, ritengo che tutto ciò sia piuttosto difficile da credere. Consideriamo, per esempio, una normale conversazione. Mi sembra che, anche se una buona parte della conversazione può essere automatica e inconscia, il fatto che occorra un secondo e mezzo per ottenere una risposta conscia sia piuttosto strano. A mio avviso, c'è qualcosa nell'interpretazione di questi esperimenti che ci convince che la fisica che stiamo usando è 136

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Tempo

(a)

-11-sec 2

-lsec -1-sec 2

m( ___'& (Il)

I • I Nessuna sensazione

-1sec

2

I

Tempo di stimolazione della pelle Tempo apparente di sensazione (. sullapelle !""'"--·~·i Stimolazione del cervello ---~'11MU.'I Sensazione di stimolo al cervello

l'-------------l'

41"~1111M1~~-~t'~ll'••=*'=*

(III) (IV)

...,I',,,,__ _,_,_ _ _ __

Nessuna sensazione!... •••••••••••.

(V)

[···· o

fino...

. .. 1#11

I

1;: ~rJJ

-1s

-1s 2

4

11•111111

Tempo

.l..s

4

(b)

Figura 3.20 (a) L'esperimento di Kornhuber, poi ripetuto e raffinato da Libet e dai suoi colleghi. La decisione di flettere l'indice appare presa al tempo O, e tuttavia il segnale precursore (media costruita su molte prove) suggerisce una "conoscenza anticipata" dell'intenzione di flettere il dito. (b) L'esperimento di Libet. (I) Lo stimolo applicato direttamente alla pelle "sembra" essere percepito pressappoco al tempo reale della stimolazione. (Il) Uno stimolo corticale di meno di mezzo secondo di durata non viene percepito. (III) Uno stimolo corticale di durata superiore a mezzo secondo viene percepito dal mezzo secondo in avanti. (IV) Un tale stimolo corticale può "mascherare a ritroso" uno stimolo applicato in precedenza sulla pelle, indicando che la consapevolezza dello stimolo applicato alla pelle non aveva in realtà ancora avuto luogo al tempo della stimolazione corticale. (V) Se uno stimolo viene applicato direttamente alla pelle subito dopo un tale stimolo corticale, la consapevolezza dello stimolo sulla pelle viene "riportata all'indietro", cosa che non vale per la consapevolezza dello stimolo corticale.

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essenzialmente quella classica. Si ricordi il problema del test della bomba per cui abbiamo parlato di controfattuali e dicome eventi coritrofattuali possano avere effetti sulle cose, anche non si verificano realmente. Il tipo di logica normalmente utilizzata tende a condurci sulla via sbagliata, se non facciamo attenzione. Si deve ricordare come si comportano i sistemi quantistici e questo potrebbe rappresentare qualcosa di curioso che si verifica proprio a causa della non località e della controfattualità quantistiche. È molto difficile comprendere la non località quantistica nel quadro concettuale della relatività ristretta. Secondo me, per comprendere la non località quantistica occorre una teoria radicalmente nuova. Questa n1,1ova teoria non si limiterà a modificare leggermente la meccanica quantistica, ma sarà diffente da essa nella stessa misura in cui la relatività generale è diffente dalla gravità newtoniana. Occorre modificare l'intero quadro concettuale. In questa ottica, la non località quantistica dovrebbe essere incorporata nella nuova teoria. Nel capitolo 2 abbiamo visto che la non località, per quanto molto bizzarra, può ancora essere descritta matematicamente. Vorrei mostrarvi ora il caso di un triangolo impossibile nella Figura 3.21. Si può chiedere: "Dov'è l'impossibilità?" È possibile localizzarla? Si possono isolare le varie parti della figura e, qualunque sia la porzione di triangolo che viene isolata, l'immagine diventa improwisamente possibile. Quindi, non si può dire che l'impossibilità sia localizzabile in qualche parte specifica del disegno: l'impossibilità è una caratteristica dell'intera struttura. Tuttavia, ci sono precise modalità matematiche con cui esprimere tutto questo. Si può operare prendendo i pezzi separati, incollandoli e ottenere alcune idee 'matematiche astratte dallo schema globale degli incollamenti. La nozione di coomologia è la nozione appropriata in questo caso. Essa ci da modo di calcolare il grado di impossibilità di questa figura. Questo è il tipo di matematica non locale che potrebbe fare parte della nostra nuova teoria. Non è accidentale il fatto che la Figura 3.21 assomigli alla Figura 3 .3 ! La Figura 3 .3 era stata costruita deliberatamente

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Dov'è l'impossibilità?

Figura 3.21 Un triangolo impossibile. L"'impossibilità" non può essere localizzata: tuttavia, può essere definita in precisi termini matematici attraverso l'astrazione dal "modo di incollaggio" usato per costruirlo.

per enfatizzare un aspetto paradossale. C'è qualcosa di misterioso nel modo in cui questi tre mondi sono collegati l'un l' altro: sembra che ciascuno "emerga" da una piccola parte del suo predecessore. Tuttavia, così come per la Figura 3.21, con un'ulteriore comprensione riusciamo ad affrontare, o magari a risolvere alcuni di questi misteri. È importante riconoscere gli enigmi e i misteri quando essi si presentano. Ma il fatto che 139

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ciò che stiamo affrontando sia un difficile rompicapo non vuol dire ancora che non riusciremo mai a capire come stanno le cose.

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4 LA NATURA DELLA MENTE, LA MECCANICA QUANTISTICA E L'ATTUALIZZAZIONE DELLE POTENZIALITÀ Abner Shimony

Ciò che ammiro di più nel lavoro di Penrose è lo spirito della sua ricerca - la combinazione di esperienza tecnica, coraggio e determinazione nell'andare al cuore del problema. Egli segue la grande esortazione di Hilbert, "Wi"r mussen wissen, wir werden wissen" .1 Del suo programma di ricerca condivido tre tesi di base. Prima, la natura della mente può essere trattata scientificamente. Seconda, le idee della meccanica quantistica sono importanti per il problema del rapporto mente-corpo. Terza, il problema (entro la meccanica quantistica) dell'attualizzazione delle potenzialità è un problema fisico genuino che non può essere risolto senza modificare il formalismo quantistico. Sono scettico, però, riguardo a molti sviluppi particolari che Penrose deduce da queste tre tesi, e spero che le mie critiche lo stimolino a migliorarli.

LO STATO DEL MENTALE IN NATURA

Circa un quarto dei capitoli 1-3 e circa metà del suo libro Ombre della mente (d'ora in poi abbreviato in OM) sono dedicati a stabilire il carattere non algoritmico dell'abilità matematica negli esseri umani. Nella sua recensione a OM Hilary 1. "Dobbiamo sapere, e sapremo": questa frase è incisa sulla pietra tombale di Hilbert. Vedi Constance Reid (1970) Hilbert, Springer-Verlag, New York, p. 220.

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Putnam2 afferma che ci sono alcune lacune nel ragionamento di Roger: Penrose trascurerebbe la possibilità di un programma per una macchina di Turing che simuli l'abilità matematica umana (ma ciò non si può provare con certezza), e quella che tale programma sia tanto complesso da non poter essere compreso, in pratica, da una mente umana. Non mi ha convinto la risposta di Penrose a Putnam, 3 ma non mi considero così esperto nella teoria della dimostrazione per esprimere un giudizio sicuro. Mi sembra, però, che la questione sia tangenziale rispetto all'interesse centrale di Penrose, e che egli sia un po' come un alpinista che ha cercato di arrampicarsi dalla parete sbagliata. La sua tesi centrale, secondo cui c'è qualcosa negli atti mentali che non può essere compiuto da nessun computer artificiale, non è subordinata allo stabilire il carattere non algoritmico delle operazioni matematiche umane. Infatti, nel completare il suo lungo ragionamento à la Godei. Penrose presenta (OM, pp. 63-64) l'argomento della "stanza cinese" di John R. Searle, secondo cui una computazione svolta correttamente da un automa non equivale alla comprensione. Il nucleo del ragionamento è che un soggetto umano potrebbe essere addestrato a comportarsi come un automa seguendo nel suo comportamento direttive date foneticamente in cinese, anche se tion comprende tale lingua e sa di non conoscerla. Un soggetto che esegue correttamente una computazione seguendo queste direttive può confrontare direttamente l'esperienza normale della computazione fondata sulla comprensione con quella, anormale, della computazione fatta come un automa. La verità matematica stabilita dalla computazione in questione può essere del tutto banale, e ciò nonostante la differenza tra la computazione meccanica e la comprensione rimane intuitivamente evidente. Ciò che Searle ha sostenuto, con l'approvazione di Penrose, riguardo alla comprensione matematica, si applica anche 2. Hilary Putnam (1994) Recensione di "Shadows of the Mind", The New York Times Book Review, 20 novembre 1994, p. 1. 3. Roger Penrose, Lettera alla New York Times Book Review, 18 dicembre 1994, p. 39.

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LA NATURA DELLA MENTE, LA MECCANICA QUANTISTICA...

ad altri aspetti dell'esperienza cosciente - alle diverse modalità sensoriali [qualia], alle sensazioni di dolore e di piacere, alla volontà, all'intenzionalità (relativa a oggetti o a concetti o a proposizioni), ecc. Entro la filosofia generale del fisicalismo esistono diverse strategie per spiegare questi fenomeni. 4 Nelle teorie "dei due aspetti" queste esperienze sono considerate appunto come aspetti di specifici stati del cervello; altre teorie identificano un'esperienza mentale con una classe di stati del cervello, ma qui la definizione di tale classe è così sottile che una sua esplicita caratterizzazione fisica non è possibile, e viene così preclusa la "riduzione" esplicita di un concetto mentale a concetti fisici; le teorie funzionaliste identificano le esperienze mentali con programmi formali che possono in linea di principio essere realizzati da molti sistemi fisici differenti anche se, come fatto contingente, sono realizzate da una rete di neuroni. Un ragionamento fisico ricorrente, enfatizzato particolarmente dalle teorie "dei due aspetti", ma usato da altre varianti del fisicalismo, è che un'entità caratterizzata da un insieme di proprietà può essere identica a un'entità caratterizzata da un insieme completamente differente di proprietà. La caratterizzazione può coinvolgere diverse modalità sensoriali, oppure alcune modalità sensoriali e altre di tipo microfisico. Inoltre, l'identità di uno stato mentale con uno stato del cervello (o con una classe di stati del cervello o con un programma) sarebbe un esempio di questa logica generale dell'identità. Mi sembra ci sia un grave errore in questo modo di ragionare. Quando un oggetto caratterizzato da una modalità sensoriale viene identificato con un altro caratterizzato da un'altra modalità sensoriale, c'è un tacito collegamento di due catene causali, che hanno un comune punto di riferimento in un singolo oggetto e un altro punto di riferimento comune nel teatro della coscienza di chi percepisce, ma con collegamenti causali intermedi differenti nell'ambiente e nell'apparato cognitivo e sensoriale del percipiente. Quando uno stato del 4. Ned Block (1980) Readings in Philosophy o/ Psychology, voi. 1, parti 2 e 3, Harvard University Press, Cambridge, MA.

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cervello e uno della coscienza vengono identificati, secondo la versione del fisicalismo "dei due aspetti", non è difficile riconoscere un oggetto comune come termine di riferimento: esso è, di fatto, lo stato del cervello poiché il fìsicalismo si impegna a sottostare alla supremazia ontologica della descrizione :fisica. Ma l'altro termine, il teatro della coscienza del soggetto percipiente, è assente. O forse, si dovrebbe dire che esiste un equivoco diffuso nella teoria dei due aspetti, dato che un teatro comune viene tacitamente assunto come luogo di combinazione e di confronto dell'aspetto fisico e di quello mentale; d'altra parte, se il fisicalismo è corretto, non c'è stato indipendente per questo teatro. Un argomento contro il fisicalismo è connesso a un principio filosofico che chiamo "il principio fenomenologico" (ma sono pronto ad accettare un nome migliore, che forse esiste già nella letteratura pertinente): quali che siano gli impegni ontologici di una filosofia coerente, tale ontologia deve essere in grado di spiegare le apparenze. Questo principio ha come conseguenza che il fisicalismo è incoerente. Di solito, un'ontologia fisicalista postula una gerarchia ontologica, dove il livello di base è costituito da particelle .elementari o campi, mentre nei livelli più alti troviamo dei composti formati da entità elementari. Tali composti possono essere caratterizzati in modi differenti: le caratterizzazioni fini danno il microstato nei dettagli; le caratterizzazioni meno fini sommano o mediano o integrano le descrizioni fini; le caratterizzazioni relazionali si basano sulle connessioni causali tra i sistemi composti che interessano e gli strumenti o i soggetti percipienti. In questa concezione della natura dove si collocano le apparenze sensoriali? Esse non rientrano nelle caratterizzazioni fini, a meno che, in contrasto con il programma del fisicalismo, le proprietà mentali facciano già parte della fisica fondamentale. Non rientrano nelle descrizioni meno fini senza un qualcosa come la teoria "dei due aspetti", la cui debolezza è stata sottolineata nel capoverso precedente; e non rientrano nemmeno nelle caratterizzazioni relazionali, a meno che l'oggetto sia causalmente connesso a un soggetto senziente. In definitiva, 148

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le apparenze sensoriali non trovano posto in un'ontologia fisicalista. Questi due argomenti contro il fisicalismo sono semplici, ma abbastanza solidi. È difficile capire come possano essere respinti e come la mente possa apparire ontologicamente derivata, se non con argomentazioni massicce e molto elaborate. Innanzitutto, non c'è nessuna evidenza dell'esistenza del pensiero al di fuori di sistemi nervosi altamente sviluppati. Come dice Penrose, "Se la 'mente' fosse un qualcosa del tutto esterno al corpo fisico, sarebbe difficile capire perché tanti suoi attributi siano strettamente collegati a proprietà di un cervello fisico" (OM, p. 427). La seconda considerazione è che, con straordinaria evidenza, le strutture neurali sono dei prodotti dell'evoluzione a partire da organismi primitivi privi di tali strutture; anzi, se il programma dell'evoluzione pre-biotica è corretto, la genealogia va estesa all'indietro fino alle molecole inorganiche e agli atomi. La terza considerazione è che la fisica di base non attribuisce proprietà mentali a tali costituenti inorganici. "La filosofia dell'organismo" di Alfred North Whitehead5 (di cui la monadologia di Leibniz può essere consider~ta un'anticipazione) propone un'ontologia della mente che riprende tutte e tre le considerazioni precedenti, ma con qualche sottile qualificazione. Le sue entità ultime sono "occasioni attuali", che non sono entità permanenti ma quanta spaziotemporali, ognuno dei quali è dotato - normalmente a un livello molto basso - di caratteristiche mentali come "esperienza", "immediatezza soggettiva", "appetizione". I significati di questi concetti sono derivati dalla vita mentale che conosciamo introspettivamente, ma sono anche ampiamente estrapolati da quella base familiare. Una particella fisica elementare, che Whitehead concepisce come catena temporale di occasioni, può essere caratterizzata adeguatamente attraverso i concetti della fisica ordinaria, dato che la sua esperienza è oscura, 5. Alfred North Whitehead (1933) Avventure di idee, tr. it. Bompiani, Milano 1961; (1929) Il processo e la realtà, tr. it. Bompiani, Milano 1965.

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monotona e ripetitiva; tuttavia, vi sono alcune cose che vanno perdute: "la nozione di energia fisica, che è alla base della fisica, deve allora essere interpretata come un'astrazione derivata dalla complessa energia, emozionale ed intenzionale, inerente alla forma soggettiva della sintesi finale in cui ogni occasione tende a completare sé stessa". 6 Solo l'evoluzione di "società" di occasioni altamente organizzate permette al pensiero primitivo di diventare intenso, coerente e pienamente consapevole: "il comportamento della materia inorganica resta immutato anche quando essa fa parte della materia vivente. Sembra che nei corpi viventi si sia realizzata una coordinazione che pone su un piano di preminenza certi modi di funzionare inerenti alle occasioni ultime" .7 Il nome di Whitehead non viene mai menzionato in OM; e l'unica volta in cui ciò avviene nella Mente nuova dell'imperatnre,8 è perché l'autore si riferisce ai Principia Mathematica di Whitehead e Russell. Non so perché Penrose non citi mai quel :filosofo, ma potrei presentare alcune mie obiezioni su cui Whitehead potrebbe essersi trovato d'accordo. Questi proponeva infatti la propria ontologia mentalista come rimedio alla "biforcazione della natura" nel mondo a-mentale della fisica e nella mente della coscienza di alto livello. Il basso livello della protomente che attribuiva a tutte le "occasioni" aveva lo scopo di colmare questa enorme lacuna. Ma non c'è un altro salto tra la protomente delle particelle elementari e l' esperienza di alto livello degli esseri umani? Inoltre, c'è qualche tipo di evidenza di questa protomente? Chi l'avrebbe mai postulata, se non al fine di stabilire la continuità tra l'Universo primordiale e l'Universo presente, abitato da organismi consci? E se non c'era altra ragione che questa, il morfema "mentale" nella parola "protomentale" non è forse un equivoco, e l'intera :filosofia dell'organismo non diventa così un trucco seman6. A.N. Whitehead, Avventure di idee, cit., cap. 11, par. 17, pp. 238239. 7. Ibidem, cap. 13, par. 6, p. 264. 8. Roger Penrose (1989) La mente nuova dell'imperatore, tr. it. Rizzoli, Milano 1992, p. 141.

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tico per prendere un problema e ripresentarlo, con nome nuovo, come una soluzione? Inoltre la concezione delle occasioni attuali come concrete entità ultime dell'Universo non costituisce una variante dell'atomismo, più ricca, certo, della dottrina di Democrito o di Gassendi, e tuttavia incoerente con il carattere olistico della mente rivelato dalla nostra esperienza di alto livello? Nel paragrafo seguente sostengo che a queste obiezioni si può rispondere, fino a un certo punto, con una modernizzazione del pensiero di Whitehead, usando proprio alcuni concetti che vengono dalla meccanica quantistica. 9

L'IMPORTANZA DELLE IDEE TRATTE DALLA TEORIA DEI QUANTI PER IL PROBLEMA MENTE-CORPO

Il concetto più radicale della teoria dei quanti è che uno stato completo di un sistema - vale a dire, che specifica il sistema in modo massimale - non è esaurito da un elenco di proprietà attuali del sistema, ma deve includere delle potenzialità. L'idea di potenzialità è implicita nel principio di sovrapposizione. Se si specificano una proprietà A di un sistema quantistico e un vettore di stato (a cui si attribuisce per convenienza norma unitaria), allora può essere espresso nella forma I; e, u;, dove ogni u, è un vettore di stato di norma unitaria, che rappresenta uno stato in cui A ha un valore definito a;, e ogni e; è un numero complesso tale che la somma dei lc,12 è l'unità. Allora è la sovrapposizione degli u; con appropriati pesi, e a meno che la somma non contenga un solo termine, il valore di A nello stato rappresentato da è indefinito. Se lo stato quantistico è interpretato realisticamente, come 9. Abner Shimony (1965) Quantum physics and the philosophy of Whitehead, in Max Black (a cura di) Philosophy in America, Allen & Unwin, London, ristampato in A. Shimony (1993) Search fora Naturalistic World View, Volume 2, pp. 291-309, Cambridge University Press, Cambridge; Shimon Malin (1988) A Whiteheadian approach to Bell's correlations, Foundationso/ Physics, 18, p.1035.

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una rappresentazione del sistema come esso è, piuttosto che come un compendio di conoscenze su di esso, e se la descrizione quantistica è completa, non suscettibile di alcuna modificazione con "variabili nascoste", allora questa indeterminazione è oggettiva. Inoltre, se un sistema interagisce con il proprio ambiente in modo tale che A diventa definito, per esempio mediante una misurazione, allora il risultato è materia di casualità oggettiva, e le probabilità lc;l2 dei vari risultati possibili sono probabilità oggettive. Questi tratti dell'indeterminatezza oggettiva, della casualità oggettiva e della probabilità oggettiva sono riassunti nella caratterizzazione dello stato quantistico come rete di potenzialità. Il secondo concetto radicale della teoria quantistica è l'intreccio [entanglementl Se gli u; sono vettori di stato di norma unitaria che rappresentano stati del sistema I, con una proprietà A avente valori distinti in questi stati, e v1 sono vettori di stato del sistema II, con una proprietà B avente valori distinti in questi stati, allora esiste un vettore di stato X = I; e; U; v1 (la somma dei lc;l2 è uguale a uno) del sistema composto I+ II con particolari caratteristiche. Né I né II separati sono in uno stato quantistico puro. In particolare, I non è una sovrapposizione di u; e II non è una sovrapposizione div,, perché tali sovrapposizioni non tengono conto del modo in cui u1 e v1 sono correlati. X è pertanto uno stato di tipo olistico, detto "intrecciato". La teoria quantistica ha quindi un modo di composizione che non ha analogo nella fisica classica. Se si verifica un processo per cui A diventa attuale, per esempio, assumendo il valore a;, allora anche B si attualizzerà automaticamente e assumerà il valore b,. L'intreccio implica pertanto che le potenzialità di I e II si attualizzino assieme. La modernizzazione del pensiero di Whitehead a cui mi sono riferito cripticamente alla fine del paragrafo precedente include in modo essenziale i concetti di potenzialità e di intreccio. La potenzialità è lo strumento con cui può essere superata l'imbarazzante biforcazione tra la protomente confusa e la coscienza di alto livello. Anche un organismo complesso con un cervello altamente sviluppato può diventare inconsapevole. 152

LA NATURA DELLA MENTE, LA MECCANICA QUANTISTICA ...

La transizione tra la coscienza e la non coscienza non deve essere interpretata come un cambiamento di condizione ontologica, ma come un cambiamento di stato, e le proprietà possono passare dalla determinatezza all'indeterminatezza, e viceversa. Nel caso di un sistema semplice come un elettrone non si può immaginare altro che una transizione dalla totale indeterminatezza di esperienza a un minimo barlume. Ma a questo punto entra in gioco il secondo concetto, l'intreccio. Nel caso dei sistemi a molti corpi in stati intrecciati c'è uno spazio molto più ricco di proprietà osservabili che in quello di una particella singola, e lo spettro di queste osservabili collettive è di solito molto più ampio di quello delle particelle componenti. L'intreccio dei sistemi elementari, ognuno con un insieme molto piccolo di attributi mentali, può plausibilmente generare un insieme ampio, che contempli tutte le possibilità tra la non coscienza e la coscienza di alto livello. Come valutare questa modernizzazione del pensiero di Whitehead, se la confrontiamo con l'applicazione da parte di Penrose delle idee quantistiche al problema mente-corpo? Nel capitolo 7 di OM e nei capitoli 2 e 3 di questo nostro volume Roger fa uso essenziale delle due grandi idee della potenzialità e dell'intreccio. La potenzialità è invocata nella sua ipotesi secondo cui i sistemi di neuroni eseguono "computazioni quantistiche", in cui ogni parte di una sovrapposizione svolge un calcolo indipendente da quello svolto dalle altre parti (OM, pp. 433-435). L'intreccio (che Penrose normalmente chiama "coerenza") viene invocato in vari punti per spiegare l'esecuzione di questi calcoli: si suppone che nelle pareti cellulari i microtubuli svolgano il ruolo di organizzare il funzionamento dei neuroni, e a questo scopo viene postulato uno stato composto del rnicrotubulo (OM, pp. 443-444); si suppone, quindi, che i microtubuli di un singolo neurone siano in uno stato intrecciato; ne segue un ipotetico stato intrecciato di un grande numero di neuroni. L'intreccio a larga scala è necessario, perché "l'unità di una mente può nascere, in una simile descrizione, soltanto se vi è qualche forma di coerenza quantistica che si estenJa almeno in una parte apprezzabile dell'intero cervel153

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lo" (OM, p. 453 ). Penrose sostiene che la sua proposta è plausibile solo in considerazione dei fenomeni della superconduttività e della superfluidità, soprattutto della superconduttività a temperature elevate, e sulla base dei calcoli di Frohlich secondo cui la composizione a larga scala è possibile nei sistemi biologici a temperatura corporea (OM, pp. 447-448). Un'altra idea quantistica, entro la trattazione della mente da parte di Penrose, deriva non dall'usuale teoria quantistica ma da quella teoria quantistica a venire che egli intravvede, e che sarà discussa nel paragrafo 4.3. Quest'idea è la riduzione oggettiva di una sovrapposizione (abbreviata OR), per cui un valore attuale di un'osservabile A viene selezionato da un ampio insieme iniziale di valori possibili. Tale riduzione è indispensabile per una teoria della mente che voglia spiegare il fatto indubitabile che nella nostra esperienza cosciente proviamo certe sensazioni e certi pensieri. Essa resta necessaria anche se richiede una cosa come la computazione quantistica, poiché alla fine del processo parallelo delle varie parti della sovrapposizione si deve ottenere un "risultato" definito (OM, p. 434). Infine, Penrose ipotizza che la OR spiegherà in maniera soddisfacente gli aspetti non computazionali dell'attività mentale. Dal punto di vista della nostra modernizzazione del pensiero di Whitehead, ciò che manca - inavvertitamente o deliberatamente - nella teoria della mente di Penrose è un'idea del mentale come qualcosa di ontologicamente fondamentale nell'Universo. La spiegazione di Penrose ha un che di stonato proprio come capiterebbe a una versione quantistica del fisicalismo. Nelle varianti del fisicalismo a cui ci si è riferiti nel paragrafo "Lo stato del mentale in natura", le proprietà mentali sono trattate come proprietà strutturali di stati del cervello o come programmi per eseguire calcoli con insiemi di neuroni. Penrose fornisce nuovi ingredienti al programma di rendere conto fisicamente del mentale - cioè la coerenza quantistica su larga scala e un'ipotetica modificazione della dinamica quantistica allo scopo di spiegare la riduzione delle sovrapposizioni. Tuttavia, la raffinatezza di queste proposte non rende più deboli gli ingenui ma robusti argomenti contro il fisica154

LA NATURA DELLA MENTE, LA MECCANICA QUANTISTICA...

lismo presentati nel paragrafo "Lo stato del mentale in natura". Le apparenze della nostra vita mentale non trovano posto in un'ontologia fisicalista, e un fisicalismo governato da regole quantistiche è ancora fisicalismo. La filosofia dell'organismo di Whitehead, al contrario, è radicalmente non fisicalista, in quanto attribuisce proprietà mentali alle più primitive entità dell'Universo, arricchendone congetturalmente la descrizione fisica. La modernizzazione del pensiero di Whitehead, che ho tentato di proporre qui, non usa la teoria quantistica come un surrogato dello stato ontologico del mentale, ma come uno strumento intellettuale per spiegare l'immensa gamma di manifestazioni del mentale nel mondo, dalle espressioni più intrinseche a quelle di più alto livello. La questione può essere posta in un altro modo. La teoria quantistica è un quadro intellettuale che impiega concetti come stato, osservabile, sovrapposizione, probabilità di transizione e intreccio [entanglement]. I fisici l'hanno applicata a due ontologie tra loro molto differenti: l'ontologia delle particelle, nella meccanica quantistica standard, non relativistica che concerne elettroni, atomi, molecole e cristalli; e l' ontologia dei campi, nell'elettrodinamica quantistica, nella cromodinamica quantistica e nella teoria quantistica generale dei campi. La teoria dei quanti, dunque, può essere plausibilmente applicata a ontologie completamente differenti, come a un' ontologia delle menti, a quella dualistica o a quella delle entità provviste di una protomente. Le normali applicazioni fisicaliste della teoria quantistica sono state meravigliosamente fertili nel rendere conto dei fenomeni osservabili nei sistemi composti, incluso quelli macroscopici, in termini microfisici. Mi sembra che Penrose stia cercando di fare qualcosa di simile, spiegare i fenomeni mentali in una ontologia fisicalista attraverso l'attento impiego di concetti quantistici. La modernizzazione del pensiero di Whitehead, al contrario, applica il quadro della meccanica quantistica a un'ontologia che è di tipo mentale ab initio. Certo, questa filosofia di Whitehead "modernizzata" è rudimentale, impressionistica, priva di quelle chiare predizioni teoriche e conferme sperimentali che le darebbero le ere-

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denziali di una teoria "promettente". Tuttavia, ha il grande pregio di riconoscere la non derivabilità del mentale, cosa che manca a tutte le varietà del fisicalismo. Può darsi che io abbia frainteso Penrose, e che egli sia più vicino a Whitehead di qu;mto io abbia capito. Se è così o meno, un suo intervento su questi problemi renderebbe molto più chiara la sua posizione. Se una versione modernizzata di Whitehead, o una qualsiasi teoria quantistica della mente, sta per raggiungere la maturità e lapprovazione scientifica, allora dovrebbe essere riservata una maggiore attenzione ai fenomeni psicologici. Alcuni di essi hanno un "sapore quantistico": per esempio, il passaggio dalla visione periferica a quella focale; la transizione dalla consapevolezza alla non consapevolezza; la presenza diffusa della mente nel corpo; l'intenzionalità; le anomalie nella localizzazione temporale degli eventi mentali; le "confusioni" e le ambiguità del simbolismo freudiano. Parecchi libri riguardanti le relazioni tra la meccanica quantistica e la mente hanno esaminato fenomeni mentali che hanno tale sapore quantistico, in particolare quelli di Lockwood 10 e di Stapp. 11 Anche Penrose ha discusso alcuni di questi fenomeni, per esempio gli esperimenti di Kornhuber e Libet sulla regolazione degli aspetti attivi e passivi della coscienza (OM, pp. 469-470). Un'applicazione seria della teoria dei quanti alla mente dovrebbe considerare anche la struttura matematica dello spazio degli stati e dell'insieme delle osservabili. Questo non è dato dal quadro concettuale quantistico. Nel caso della meccanica quantistica standard, non relativistica e della teoria quantistica dei campi queste strutture vengono determinate in vari modi: considerando la rappresentazione dei gruppi per lo spazio-tempo; grazie a un'euristica basata sulla meccanica classica e sulla teoria classica dei campi e, naturalmente, attraverso la sperimentazione. Uno dei più importanti lavori di 10. M. Lockwood (1989) Mind, Brain and the Quantum, Blackwell, Oxford. 11. Henry P. Stapp (1993) Mind, Matter and Quantum Mechanics, Springer, Berlin.

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Schrodinger sulla meccanica delle onde, del 1926, ci offre un'analogia meravigliosamente feconda: l'ottica geometrica sta all'ottica ondulatoria così come la meccanica delle particelle sta a un'ipotetica meccanica delle onde. Non potrebbe essere euristicamente produttivo considerare una nuova analogia: la fisica classica sta alla fisica quantistica così come la psicologia classica sta a un'ipotetica psicologia quantistica? Naturalmente, una delle difficoltà nell'uso di questa analogia è che la struttura della "psicologia classica" è molto meno nota e, forse, meno definita al suo interno della struttura della meccanica classica. Ecco un'altra proposta. Forse, i concetti quantistici possono essere applicati alla psicologia, ma non con una struttura geometrica così forte come nella fisica quantistica. Anche se esistesse qualcosa come lo spazio degli stati mentali, potremmo sostenere che questo spazio ha la struttura, poniamo, di uno spazio di Hilbert proiettivo? Nello specifico, si potrebbe davvero definire un prodotto interno tra due stati mentali, che determinerebbe la probabilità di transizione da uno all' altro? Non potrebbe darsi che in natura esista una struttura più debole, anche se ancora di tipo quantistico? Ci sono molti contributi interessanti di Mielnik 12 che propongono come concetto quantistico minimo l'esprimibilità di uno stato "misto" in più di un modo come combinazione convessa di stati puri, mentre nella meccanica statistica classica uno stato misto può essere espresso in termini di stati puri soltanto in un modo. Un'ulteriore proposta è che la fenomenologia dei colori possa essere considerata come un'esemplificazione dell'idea di Mielnik- per esempio, i molti modi differenti di ottenere la percezione del bianco attraverso una mistura di luce colorata.

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ABNER SHIMONY

IL PROBLEMA DELL'ATTUALIZZAZIONE DELLE POTENZIALITÀ

Nel capitolo 2 Penrose classifica il problema dell'attualizzazione delle potenzialità (noto anche come problema della riduzione del pacchetto d'onda e problema della misurazione) come mistero-X: un problema da risolvere solo con un cambiamento radicale della teoria stessa, e non da esorcizzare con la routine. Sono totalmente d'accordo. Se la teoria dei quanti descrive oggettivamente un sistema fisico, allora esistono osservabili del sistema che in un dato stato sono oggettivamente indefinite ma che possono diventare definite per mezzo di una misurazione. Ma la dinamica lineare della teoria dei quanti impedisce lattualizzazione per mezzo della misurazione. La linearità implica che lo stato finale del sistema composto dall'apparato di misura e dall'oggetto sia una sovrapposizione di termini in cui "l'indice" osservabile dell'apparato assume valori diversi. Condivido lo scetticismo di Penrose circa tutti i tentativi di chiarire questo mistero, per esempio con l'interpretazione a molti mondi, la decoerenza, le variabili nascoste, ecc. In uno stadio o nell'altro di un processo di misurazione l'evoluzione unitaria dello stato quantistico viene meno e si verifica un'attualizzazione. Ma a quale stadio? Ci sono molte possibilità. Lo stadio può essere fisico, e può presentarsi quando un sistema macroscopico è collegato a un oggetto microscopico, o quando la metrica dello spazio-tempo è intrecciata [entangleJJ a un sistema materiale. Oppure, lo stadio può essere mentale, e presentarsi nella psiche dell'osservatore. Penrose ipotizza che l'attualizzazione sia un processo fisico, dovuto all'instabilità di una sovrapposizione di due o più stati della metrica dello spazio-tempo; più grande è la differenza energetica tra gli stati sovrapposti, più corta è la durata della sovrapposizione (OM, pp. 415-422). Tuttavia, la congiunzione di questa ipotesi con la determinazione di Penrose a spiegare le esperienze attuali della coscienza impone alcuni forti vincoli. Egli ha bisogno della sovrapposizione degli stati del cervello, co158

LA NATURA DELLA MENTE, LA MECCANICA QUANTISTICA ...

me indicato precedentemente, al fine di dare conto della globalità della mente, ma certe assurdità come la sovrapposizione visiva di un lampo rosso e di un lampo verde dovrebbero non verificarsi affatto oppure essere così evanescenti da non interferire per nulla con la coscienza. Penrose sostiene - provvisoriamente e in modo schematico - che le differenze di energia negli stati del cervello corrispondenti a queste distinte percezioni sono abbastanza grandi da determinare una vita breve della sovrapposizione. Egli ammette, però, in vari passi di Ombre della mente, di sentirsi come un funambolo che cammini con cautela su una corda tesa, perché ha bisogno di una buona dose di "coerenza" per spiegare la globalità della mente e di una buona dose di rottura di coerenza per spiegare certi eventi della coscienza. Come un cervello/mente che operi secondo le linee tratteggiate da Penrose possa risultare adatto per le attività quotidiane resta, di fatto, piuttosto misterioso. Le risorse della famiglia di modificazioni della dinamica quantistica atte a spiegare oggettivamente l'attualizzazione delle potenzialità non sono state ancora esplorate del tutto, né da Penrose né dalla comunità dei ricercatori. Citerò brevemente due strade che trovo interessanti. Il modello a riduzione spontanea di Ghirardi-Rimini-Weber e altri è citato e criticato con forza da Penrose (OM, pp. 410, 422, 476), ma potrebbero esserci varianti di questa dinamica che sfuggono alle sue critiche. Una seconda strada, a cui Roger però non accenna, è data dalla possibilità in natura di una "regola di superselezione", per evitare la sovrapposizione di distinti isomeri o conformazioni di macromolecole. La ragione di questa congettura è che le macromolecole agiscono nella cellula tipicamente come interrutori, accendendo o spegnendo un processo in accordo con la conformazione molecolare. Se venissero sovrapposte due conformazioni molecolari distinte, si avrebbe l'analogo cellulare del gatto di Schrodinger - un processo in una sorta di limbo tra ciò che si verifica e ciò che non si verifica. Se la natura obbedisse a una regola di superselezione che proibisce tali sovrapposizioni, la difficoltà sarebbe evita-

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ta, ma la ragione rimarrebbe misteriosa: perché la natura proibisce la sovrapposizione di stati di conformazioni di molecole complesse, mentre la permette per quelle semplici, e dove sta la linea di demarcazione? Comunque, una tale superselezione potrebbe spiegare tutte le attualizzazioni di potenzialità delle quali abbiamo buona evidenza, e avere la preziosa proprietà di essere controllabile mediante spettroscopia molecolare. 13 Infine, è importante sottolineare che dal punto di vista ispirato a Whitehead l'ipotesi che lattualizzazione delle potenzialità sia ottenuta dalla psiche del percipiente non è poi così ridicola, antropocentrica, mistica e antiscientifica come comunemente viene intesa. Secondo Whitehead, qualcosa come il mentale è diffuso in tutta la natura, ma quello di alto livello è contingente all'evoluzione di complessi speciali e ospitabili di "occasioni". La capacità di un sistema di attualizzare le potenzialità, di modificare quindi la dinamica lineare della meccanica quantistica, può essere pervasiva in natura, ma non trascurabile solo in sistemi ove compare un mentale di alto livello. Vorrei attenuare, però, questa formulazione troppo tollerante coll'aggiungere che l'attribuzione alla psiche del potere di ridurre le sovrapposizioni dovrebbe essere presa sul serio solo se vengono considerate attentamente le sue implicazioni per un ampio spettro di fenomeni psicologici, perché solo così c'è una possibilità di sottoporre l'ipotesi a un severo controllo sperimentale.

13. Martin Quack (1989) Structure and dynamics of chiral molecules, Angew. Chem. lnt. Ed. Engl., 28, p. 571.

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5 PERCHÉ LA FISICA? Nancy Cartwright

Abbiamo discusso Ombre della mente di Roger Penrose nel seminario congiunto della London School of Economics/King's College di Londra entro la serie dedicata a Filosofia: scienza o teologia. Vorrei cominciare colla stessa domanda che mi è stata rivolta da uno dei partecipanti al seminario: "Quali sono le ragioni per cui Penrose ritiene che le risposte ai problemi riguardanti la mente e la coscienza vadano cercate nella fisica, e non nella biologia?". Direi che Penrose avanza tre tipi di ragioni: 1. Tale programma di ricerca è molto promettente; mi sembra che questa potenzialità costituisca la motivazione più forte. Positivista come sono, contraria allo stesso tempo alla metafisica e alle argomentazioni trascendentali, io sarei propensa ad affermare persino che è il solo tipo di argomentazione a cui dovremmo dare peso. Naturalmente, la forza con cui un'argomentazione sostiene un progetto dipende da quanto è promettente il programma - e da quanto è dettagliato. È però chiaro che la proposta di Penrose - supporre in primo luogo una coerenza quantistica macroscopica attraverso i microtubuli del citoscheletro e poi indagare con un nuovo tipo di interazione quantistico-classica le particolari caratteristiche non computazionali della coscienza - non costituisce un programma dettagliato. Non basta proporre un ulteriore passo in avanti all'interno di una ben definita agenda di ricerca. Se si trova promettente il programma di Penrose, è per l'audacia e la ricchezza delle idee, per la convinzione che alcune nuove 161

NANCY CAR1WRIGHT

interazioni di questo tipo siano necessarie per riordinare la meccanica quantistica, e in base all'impegno prioritario che, se c'è una spiegazione scientifica della coscienza, questa deve in definitiva essere una spiegazione fisica. Penso che quest'impegno debba sicuramente avere un ruolo chiave nel momento in cui giudichiamo il programma di Penrose. Ovviamente, se ha un ruolo chiave, il fatto che si giudichi promettente il programma non può darci ragione di pensare che sia la fisica, e non un'altra scienza, a realizzarlo. 2. Il secondo tipo di ragione per pensare che la fisica da sé ci fornirà il quadro definitivo è il fatto indiscutibile che alcuni settori della fisica - in special modo l'elettromagnetismo- contribuiscono alla nostra comprensione del cervello e del sistema nervoso. Attualmente, descriviamo abitualmente la trasmissione dei messaggi utilizzando concetti pertinenti ai circuiti elettrici. Parte della trattazione di Penrose si basa su recentissimi sviluppi dell'elettromagnetismo: si suppone che stati differenti della polarizzazione in un tubulino dimerico siano alla base delle differenze di configurazione geometrica che fanno sì che i dimeri si inclinino ad angoli diversi rispetto al microtubulo. Ma questo tipo di argomentazione non funziona. Il fatto che la fisica offra una parte della spiegazione non è un motivo sufficiente per concludere che essa fornisca l'intera spiegazione. Talvolta, ci si richiama alla chimica per argomentare il contrario. Ora, nessuno negherebbe che una parte della spiegazione sia fornita dalla chimica. Ma per alcuni i settori rilevanti della chimica sono, in realtà, nient'altro che fisica. Di fatto, proprio così ne parla Penrose: "Le forze chimiche che controllano le interazioni degli atomi e delle molecole sono di origine quantistica ed è, in larga misura, l'azione chimica che governa il comportamento dei neurotrasmettitori che trasferiscono i segnali da un neurone all'altro - attraverso minuscole fenditure chiamate fessure sinaptiche. Allo stesso modo, i potenziali d'azione che controllano fisicamente la trasmissione dei segnali nervosi hanno un'origine dichiaratamente quantistica" (OM, p. 424). La chimica arriva in difesa della fisica rispondendo alle mie preoccupazioni riguardanti il gi162

PERCHÉ LA FISICA?

gantesco salto inferenziale da "La fisica fornisce una parte della spiegazione" a "La fisica fornisce l'intera spiegazione". Adesso, questo salto inferenziale si ripresenta a un livello più basso. È noto che non si ha nulla di simile a una vera riduzione di parti rilevanti della chimica fisica alla fisica propriamente detta - quantistica o classica. 1 La meccanica quantistica è importante per spiegare aspetti dei fenomeni chimici, ma i concetti quantistici vengono sempre usati insieme con concetti sui generis - cioè concetti tratti da altri contesti, e non ancora "ridotti". Non spiegano da soli i fenomeni. 3. La terza ragione per pensare che sarà la fisica a spiegare da sé la mente è metafisica. Si guardi alla catena di connessioni di Penrose. Ci piacerebbe poter dire che la funzione della mente non è misteriosa; ciò significa che può essere spiegata in termini scientifici", e dunque che può essere spiegata in termini fisici. Nel mio seminario la