Tradotto da un articolo apparso su Liberation venerdì 4 settembre 2015

Più di un secolo dopo la sua scoperta, la meccanica quantistica – che descrive il comportamento degli enti fisici alla scala delle particelle elementari – non è stata ancora completamente compresa, anche se le predizioni più “strambe” finora sono state sempre verificate dalle misure.  Cercando di dare il senso più ampio possibile a tale immensa teoria, possiamo accontentarci nel frattempo di fare nostre le sue tre lezioni più importanti. Innanzitutto rinunciare al determinismo della fisica classica a favore di una visione probabilistica; in seguito, considerare che molte delle grandezze apparentemente continue – come l’altitudine di un alpinista in montagna – sono delle grandezze discrete – come l’altitudine dello stesso alpinista nelle scale di un condominio. Infine, ammettere che certe particelle sembrano dotate d’ubiquità, e possono trovarsi in diversi luoghi o in diversi stati nello stesso momento. Da tale ubiquità nasce uno dei più famosi esperimenti “teorici” della meccanica quantistica: quello del gatto di Schröndiger. Supponiamo di chiudere, in una scatola nera, un gatto e un nucleo radioattivo la cui la disintegrazione – un avvenimento aleatorio secondo la meccanica quantistica –  provoca la morte del gatto (questa storia mi è sempre sembrata molto crudele). Fin quando nessun osservatore guarda ciò che è successo nella scatola, la meccanica quantistica considera che il nucleo è in una superposizione di stati, ovvero allo stesso tempo disintegrato e intero; di conseguenza, il gatto è allo stesso tempo vivo e morto. Molto inchiostro è stato versato su tale paradosso, e la questione non è ancora stata risolta. Negli anni 50, un giovane fisico di Princeton, Hugh Everett, propose un’interpretazione incredibile: ad ogni interazione di un sistema quantistico con un sistema classico si produrrà una biforcazione in più universi paralleli. Ci sarà un mondo dove il gatto sarà morto e un altro dove il gatto è vivente. Due mondi equivalentemente reali ma non interagenti tra loro. Essendo gli avvenimenti di tale genere innumerevoli, i mondi paralleli non potranno che pullulare. La proposta di Everett sembrerebbe irragionevole, ciononostante un “sondaggio” indica che sempre più fisici teorici la considerano come la visione corretta. La visione dei “mondi multipli” di Everett si rivela allo stesso tempo più elegante e coerente che la visione attuale, detta di Copenhagen, che deve inventare delle contorsioni matematiche per evitare il gatto “morto-vivo”. Ma chiaramente la prova necessaria per validare l’una o l’altra saranno gli esperimenti. L’interpretazione di Everett è stata per molto tempo considerata come inverificabile, rilevante dunque più per la metafisica che per la scienza. In un recente articolo, ho dimostrato – seguendo i passi del fisico Don Page – che non è, in principio, impossibile mettere questa interpretazione alla prova delle osservazioni (NdT qui un altro articolo “simile” pubblicato su Physical Review X). L’idea consiste nel trovare una situazione in cui le due interpretazioni conducono a predizioni differenti. Sorprendentemente, tale situazione esiste. Ho costruito nel mio lavoro un test che utilizza l’evoluzione dell’universo nei suoi primi istanti, poco dopo il Big-Bang, quando può ancora essere descritto con la fisica quantistica. Sapendo che differenti evoluzioni quantistiche dell’universo conducono ad un numero differente di osservatori, diviene possibile, partendo dallo studio del nostro mondo, dividere in due le due visioni. Tecnicamente, il cuore dell’argomento sta nel fatto che nella visione di Everett gli universi improbabili esistono realmente (in piccolo numero) mentre (in generale) sono solo delle possibilità senza realtà materiale nella visione di Copenhagen. Possiamo comprendere l’idea centrale con un’analogia. Supponiamo che un sacco contiene un milione di palle nere e una palla bianca. Secondo la visione di Copenhagen, questa palle sono essenzialmente le stesse. Ma, secondo la visione dei “mondi multipli” di Everett, qualcosa “favorisce” la palla bianca: essa si troverà sempre al di sopra delle altre e sarà, per cosi dire, un miliardo più grossa delle altre e più facile da prendere rispetto alla palle nere. Le due interpretazioni predicono lo stesso numero di palle dello stesso colore, ma differiscono sulla predizione riguardo la palla che noi prenderemo! Quella di Copenhagen predice che dopo un tiro alla cieca prenderemo un palla nera, mentre per Everett la palla sarà bianca. Le due interpretazioni sono quindi distinguibili. In base a quale palla tireremo fuori dal sacco, sarà l’una o l’altra visione ad essere corretta. Chiaramente, la palla rappresenta una metafora dell’universo che noi osserviamo, ovvero quello nel quale ci troviamo. Nei fatti è ancora troppo presto per pensare di mettere a punto tale esperimento. Ma nel caso dell’inflazione cosmologica, qualche pista comincia ad indicare che la visione di Everett non sembra fantascienza. Ciononostante, conviene essere prudenti con tali proposizioni speculative. È quasi sovversivo al momento proporre test possibili per dimostrare l’esistenza di universi paralleli, ma penso sia comunque importante porsi tali domande. Forse questi universi multipli non esistono, e sono solo un’impasse epistemologica. Ma sarebbe poco intelligente ignorarli completamente. Innanzitutto perché sono predetti da alcune delle nostra teorie (in tal senso non sono un’ipotesi ma una conseguenza) e sarebbe incoerente servirsi di tali teorie dimenticando ciò che esse generano. In seguito, perché contrariamente a ciò che si crede, esse possono essere testate scientificamente, come abbiamo mostrato qui. Infine perché tale interpretazione può avere un effetto concreto sulle predizioni fisiche nel nostro universo.


Translated from an article appeared in Liberation Friday, September 4, 2015

More than a century after its discovery, quantum mechanics – which describes the behavior of physical entities to the scale of elementary particles – is not yet fully understood, although the most misleading predictions so far have always been verified by measurements. Trying to give the widest possible sense of this immense theory, we can try to fully understand in the meantime its three most important lessons. First of all, rejecting the determinism of classical physics in favor of a probabilistic view; then considering that many of the seemingly continuous physical quantity – as the altitude of a mountaineer in the mountains – are actually discrete – the same as the altitude mountaineer in the stairs of an apartment building. Finally, admitting that certain particles seem endowed with ubiquity, and may be in different places or in different states at the same time. From this ubiquity was born one of the most famous “theoretical” experiment of quantum mechanics: the Schröndiger’s cat. Let suppose to close, in a black box, a cat and a radioactive nucleus whose disintegration – a random event according to quantum mechanics – causes the death of the cat (this story has always seemed very cruel). As long as no observer looks at what has happened in the box, quantum mechanics considers that the nucleus is in a superposition of states, and it is at the same time disintegrated and intact; consequently, the cat is both alive and dead. Much ink has been spilled on this paradox, and the issue has not yet been resolved. In the 50’s, a young physicist at Princeton, Hugh Everett proposed an incredible interpretation: each interaction between a quantum and a classical system will produce a bifurcation in multiple parallel universes. There will be a world where the cat is dead and another where the cat is alive. Two worlds equivalently real but not interacting. Parallel worlds will swarm, being numerous these kind of events. Everett’s proposition would seem unreasonable, however more and more theoretical physicists regard it as the correct view. The “many-worlds” interpretation is both more elegant and consistent with respect to the current view, that of Copenhagen, which has to use mathematical contortions to avoid the cat “dead-alive”. But clearly the evidence needed to validate one or the other will be experiments. The interpretation of Everett was long regarded as unverifiable, and, therefore, more relevant for metaphysics. In a recent article, I demonstrated – following in the footsteps of Don Page – that in principle is not impossible to test this interpretation through observations (Translator’s Note: here another similar article published in Physical Review X). The idea is to find a situation in which the two interpretations lead to different predictions. Surprisingly, such a situation exists. I built in my work a test that uses the evolution of the universe in its first moments, just after the Big Bang, when it can still be described by quantum physics. Knowing that different quantum evolutions of universe lead to a number of different observers, it becomes possible, from the study of our world, to split in two the two visions. Technically, the heart of the argument is that in Everett’s vision multiple universes really exist (in small numbers) while (in general) are only possibilities without material reality the Copenhagen’s vision . We can understand the central idea with an analogy. Suppose a lot containing a million of black balls and one white ball. According to the vision of Copenhagen, these balls are essentially the same. But, according to the vision of “multiple worlds” Everett, something “favors” the white ball: it will always be on top of the others and will be, as it were, a billion bigger than the others and easier to take than black balls. The two interpretations preach the same number of balls of the same color, but differ on the prediction about the ball that we will take! Copenhagen interpretation predicts that after a blind shot a black ball will be taken, while for Everett the ball will be white. The two interpretations are therefore distinguishable. Based on which ball will pull out of the bag, it will be the one or the other vision to be correct. Clearly, the ball is a metaphor of the universe that we observe, that is the one where we are. For the moment it is too early to develop this experiment. But in the case cosmological inflation, some track begins to indicate that the interpretation of Everett does not seem science fiction. Nevertheless, it pays to be cautious with such speculative propositions, and at moments it is almost subversive to propose possible tests to prove the existence of parallel universes. I think it is important asking these questions. The idea of ​​parallel universes appears in cosmology for many other reasons. Maybe these multiple universes do not exist, and they are only an epistemological impasse. But it would be unwise to ignore them completely. Firstly because they are predicted by some of our theories (in this sense they are not a hypothesis but a result) and it would be inconsistent to use these theories forgetting what they generate. Later, because contrary to what we can believe, they can be scientifically tested, as we have shown here. Finally, because this interpretation may have a material effect on predictions in our physical universe.


  1. Testing the Everett Interpretation of Quantum Mechanics With Cosmology, Aurélien Barrau, Electronic Journal of Theoretical Physics, http://arxiv.org/abs/1412.7352
  2. Hall, M. J. W., Deckert, D.-A. & Wiseman, H. M. Phys. Rev. X 4, 041013 http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.4.041013 (2014).