Molti associano equivocamente i viaggi nel tempo alla meccanica quantistica come se i quanti fossero una porta segreta sul passato. In realtà il "viaggio nel passato" nasce prima di tutto in relatività generale dove alcune soluzioni matematiche delle equazioni di Einstein ammettono curve "tempo-like" chiuse, cioè traiettorie che riporterebbero un osservatore nel proprio passato.
La meccanica quantistica arriva dopo chiedendosi: un universo del genere può essere fisicamente consistente?

Stephen Hawking formulò l'idea (con tono quasi ironico) che esista una sorta di "agenzia di protezione della cronologia" ovvero che gli effetti quantistici potrebbero rendere instabile o irrealizzabile la formazione di regioni con traiettorie che riporterebbero un osservatore nel proprio passato, impedendo quindi la nascita di una macchina del tempo. Se il tempo fosse "circolare" potrebbero crescere enormemente le quantità fisiche legate ai campi quantistici e alla loro retroazione gravitazionale fino a distruggere le condizioni che renderebbero possibile la violazione di causalità.

Si potrebbe dire però che se la quantistica è "non locale" allora si potrebbe mandare un messaggio nel passato. Però le correlazioni quantistiche (come l'entanglement) sono "stranianti" ovvero non sono un canale controllabile per inviare informazione a ritroso. Il motivo tecnico è quindi solo nella teoria stessa perché è costruita in modo da impedire comunicazioni superluminali e retro-causali.

Supponiamo allora che una regione di spazio-tempo con curve di tempo chiuse esista e sia accessibile, in questo caso bisognerebbe scrivere una regola fisica coerente per ciò che accade quando un sistema quantistico "incontra" una sua versione passata, e qui compaiono modelli teorici interessanti: Deutsch propose una condizione di "autoconsistenza quantistica", ovvero che lo stato che entra nel "circuito temporale" deve essere un punto fisso della dinamica in modo da evitare contraddizioni. La cosa notevole è che in questo scenario certi comportamenti diventano "non classici" in modo molto forte (con effetti computazionali e logici insoliti). Lloyd, Maccone, Garcia-Patron, Giovannetti, Shikano, Pirandola, Rozema, Darabi e Soudagar invece propongono un approccio alternativo basato sulla "post-selezione" (ovvero selezionare solo le storie consistenti). Anche qui i paradossi vengono evitati ma la fisica risultante non coincide con quella precedente di Deutsch.

Questi modelli non dimostrano che il viaggio nel tempo sia possibile ma dimostrano che se si vuole immaginare la curva del tempo chiusa si deve pagare un prezzo teorico sotto forma di dinamiche "effettive" non standard per salvarne la consistenza, e c'è un punto ancora più significativo dato che esistono esperimenti che hanno simulato in laboratorio il comportamento previsto da alcuni di questi modelli (senza ovviamente creare una curva chiusa reale nello spazio-tempo) e quindi la simulazione non è una macchina del tempo ma un test concettuale su come certe regole si comporterebbero.

C'è poi un'area dove la quantistica gioca davvero con il nostro istinto temporale, quelli che vengono definiti come i processi a ordine causale indefinito (come il quantum switch).
Nel quantum switch due operazioni possono essere applicate in una sovrapposizione di ordini in modo coerente (prima A poi B e prima B poi A). In questo caso si ha un risultato reale e sperimentato ma non significa che un'informazione viaggi realmente nel passato, significa solo che l'ordine delle operazioni in certi protocolli non è un dato classico fisso.

Quindi la quantistica può rendere meno rigida la nostra idea di "prima e dopo" senza entrare nel paradosso ed è come se la teoria dicesse: puoi mettere in discussione la forma del corridoio ma non puoi far crollare l'edificio.

Il "viaggio nel tempo" è un concetto affascinate ma la fisica sembra insistere su un principio più rigido, ovvero non tanto che "non puoi tornare indietro nel tempo" quanto invece che "non puoi ottenere contraddizioni". Se esistessero "scorciatoie" queste dovrebbero rispettare dei vincoli di coerenza talmente stringenti da trasformare la fantasia in un labirinto di condizioni.

Forse la lezione non è che il tempo sia inviolabile come un dogma, ma che la realtà fisica difende la consistenza più di quanto difenda la nostra intuizione.
La quantistica non è un permesso di trasgressione ma è un linguaggio in cui l'universo ammette le possibilità ma non ammette incoerenze sfruttabili. In questo senso il tempo "non perdona" non perché sia morale ma perché la causalità è una condizione di esistenza di quel racconto che noi chiamiamo mondo.

Quando si parla della "teoria del tutto" si potrebbe pensare che c'è un ostacolo puramente tecnico, cioè che manca l'equazione giusta o che la matematica non sia adeguata. Effettivamente in parte questo è vero perché la ricerca di "un quadro unico" richiede strumenti matematici molto raffinati ed ovviamente delle idee formalmente nuove.

Ma è importante sottolineare che il tentativo di unificare la meccanica quantistica con la gravità non è soltanto un mero problema di calcolo, è invece un vero e proprio intreccio di matematica, di concetti e di osservazioni nel quale ogni parte condiziona le altre.

La meccanica quantistica e la teoria quantistica dei campi (che è la sua estensione relativistica) descrive con precisione straordinaria il mondo delle particelle e delle interazioni fondamentali e la relatività generale descrive la gravità come geometria dinamica dello spazio-tempo. Entrambe funzionano magnificamente ognuna nel proprio dominio. La prima regge l'elettronica e le tecnologie moderne mentre la seconda spiega con precisione l'espansione cosmica e la fisica dei buchi neri. Ma quando cerchiamo di spingerle fino al limite, fino alla singolarità, fino al big bang, ai buchi neri e alle regioni in cui la densità e le energie diventano estreme, non è solo che "non sappiamo risolvere" le equazioni, ma il fatto è che stiamo cercando di far parlare insieme due idee e due modi diversi di cosa sia veramente descrivere la realtà.

La prima questione è il tempo. Nella meccanica quantistica il tempo è un parametro esterno, cioè significa che la funzione d'onda evolve nel tempo e questa evoluzione è continua e ben definita.
Nella relatività il tempo non è uno sfondo fisso ma è parte dello spazio-tempo e può curvarsi, rallentare, dipendere dal moto e dalla gravità. Se lo spazio-tempo è dinamico che cosa significa "evolvere nel tempo" quando il tempo stesso è un oggetto fisico? E qui appunto nasce il famoso "problema del tempo" nelle formulazioni di gravità quantistica perché non basta "quantizzare" le variabili ma bisogna capire quale concetto di tempo stiamo usando e... se il tempo sia davvero fondamentale oppure sia solo un fenomeno emergente legato alle relazioni tra gli stati.

La seconda questione è l'osservazione: in meccanica quantistica la misura non è solo un dettaglio tecnico ma è un confine concettuale. La teoria descrive le sovrapposizioni di possibilità anche se noi invece osserviamo esiti definiti e quindi viene da chiderci che cosa "seleziona" un risultato e quando e come avviene il passaggio da "possibile" a "attuale".
Alcune interpretazioni introducono un collasso reale mentre altre lo negano e parlano di ramificazioni o di descrizioni relazionali. Insomma qualunque posizione si adotti resta sempre la domanda se la modalità in cui definiamo "l'osservazione" influenza il modo in cui interpretiamo la teoria. Quando poi tentiamo di includere anche lo spazio-tempo nella descrizione quantistica il problema si fa più confuso e radicale, ovvero non stiamo più misurando i fenomeni in un particolare spazio-tempo, ma stiamo chiedendo come possa apparire lo spazio-tempo stesso e le nozioni di evento, distanza, e durata.

La terza questione sono i dati. Molte ipotesi sulla gravità quantistica agiscono nella scala di Planck dove gli effetti sono infinitesimali e ovviamente difficili da testare direttamente.
Questo non significa che siano "solo filosofia" ma significa che spesso esistono molti modelli compatibili con le osservazioni e quello che si scopre è che in assenza di vincoli sperimentali forti la teoria rischia di diventare solo un "paesaggio di possibilità" coerenti e per questo la ricerca contemporanea guarda con attenzione solo agli indizi indiretti come i segnali cosmologici, le proprietà dei buchi neri, le onde gravitazionali e gli effetti quantistici.

Tornando alla matematica, la matematica conta molto in tutto questo? La risosta è ovviamente sì. Per unificare quanti e gravità servono "linguaggi" molto potenti e evoluti. Servono geometrie non classiche, teorie di campo su strutture insolite, formalismi che trattino l'informazione e la causalità in modo molto più profondo e spesso serve anche della matematica nuova.
Ed è proprio la storia della fisica che ci insegna che la matematica cresce insieme alle richieste e alle nuove domande che ci poniamo. La matematica è un linguaggio che si estende quando la realtà ci costringe a parlare in modi nuovi ma il punto non è solo "calcolare di più" ma chiarire che cosa si sta cercando di descrivere.

Forse il cuore della questione non è trovare la formula finale come se fosse un oggetto già scritto da qualche parte ma comprendere che "l'unificazione" richiede una revisione delle categorie a cui noi pensiamo normalmente (il tempo, l'osservazione e la realtà) e soprattutto quale è il ruolo dei dati nel selezionare qualcosa tra i molti mondi teorici possibili.

E quindi? Quindi la difficoltà non sta soltanto nella complessità delle equazioni ma nel fatto che stiamo cercando una teoria capace di descrivere non solo quello che accade nell'universo ma soprattutto le condizioni che rendono possibile descriverlo.

Se la funzione d'onda descrive quello che un sistema potrebbe essere, e il collasso della funzione d'onda quello che un sistema diventa quando viene osservato, allora una domanda sorge spontanea: che cosa significa osservare?
In meccanica quantistica l'osservatore non è un semplice spettatore passivo e la misura non si limita a rivelare una proprietà già esistente, ma contribuisce a definirla. Questo è uno dei punti di rottura più netti con la fisica classica, dove il mondo possiede proprietà definite indipendentemente da chi le osserva.

Nel linguaggio quantistico, osservare significa quindi far interagire un sistema con un apparato di misura, e quindi interagisce con l'ambiente, e questa interazione "distrugge" la sovrapposizione di stati che era descritta dalla funzione d'onda e pertanto seleziona un solo risultato specifico. Quello che la teoria non descrive in modo definitivo è "il quando" e "il come" questo passaggio avvenga. Ed è proprio qui che nasce quello che viene definito "problema della misura".

Il problema dell'osservatore però non riguarda solo gli strumenti e i laboratori, ma tocca una questione più profonda, ovvero: dove finisce il sistema quantistico e dove inizia il mondo classico?
Un elettrone può trovarsi in più stati contemporaneamente, ma ovviamente il rivelatore, cioè il sistema di misura, no. La "linea di confine" che c'è tra questi due regimi non è fissata dalla teoria, e questo rende la meccanica quantistica molto efficace nel calcolo ma purtroppo incompleta nella sua interpretazione, e a questo si aggiunge anche un secondo problema, ancora più sottile: quello del tempo. "Nella meccanica quantistica il tempo non è un osservabile come la posizione o l'energia, è un parametro esterno, che scandisce l'evoluzione della funzione d'onda, ma non viene mai quantizzato". Questa frase significa che il sistema evolve nel tempo, ma... il tempo stesso non fa parte del sistema.

Tutto questo è in contrasto con la relatività, dove il tempo è dinamico, è intrecciato allo spazio ed è influenzato dalla materia e dall'energia. Il problema è che quando si tenta di unire la meccanica quantistica e la gravità (come accade nella teoria delle stringhe) questa differenza diventa un ostacolo concettuale enorme. Ovvero: se lo spazio-tempo stesso è soggetto a "fluttuazioni quantistiche", ha senso parlare di un tempo esterno e assoluto?
Il problema del tempo si riflette anche nel collasso della funzione d'onda. Il collasso sembra avvenire in un "istante preciso", ma "istante" rispetto a quale tempo? Forse il tempo dell'osservatore? Il tempo dell'apparato di misura? Oppure un altro tipo di tempo più profondo e ancora sconosciuto?
Purtroppo la meccanica quantistica standard non risponde a queste domande, si limita a funzionare straordinariamente bene senza però spiegare completamente il significato dei suoi stessi concetti.

In questa prospettiva l'osservatore non è più un elemento casuale ma è invece una parte essenziale di questo quadro, ma non perché la coscienza "crea" la realtà, ma perché qualsiasi descrizione fisica richiede una separazione tra quello che viene osservato e chi lo osserva, e la meccanica quantistica rende effettivamente questa separazione instabile, sfumata e problematica.
Forse è per questo che se torniamo dalle teorie più "speculative" alla meccanica quantistica "pura" abbiamo l'impressione di trovarci di fronte a un confine dove da un lato abbiamo una teoria estremamente precisa e dall'altro invece moltissime domande aperte sull'osservazione, sul tempo e sulla realtà.

Flatlandia abita proprio dentro questo confine, nel luogo dove la fisica smette di descrivere oggetti e inizia ad interrogarsi sulle funzioni, sulle relazioni e quindi sul significato stesso di cosa significa osservare.

La teoria delle stringhe nasce come uno dei tentativi più ambiziosi della fisica teorica: descrivere tutte le particelle e tutte le forze della natura come manifestazioni diverse di un unico oggetto fondamentale. Con questa teoria, gli elettroni, i quark, ..., fino ad arrivare al gravitone, non sono entità puntiformi, ma minuscole stringhe che vibrano. Ogni modalità di vibrazione corrisponde a una particella diversa esattamente come la corda di uno strumento che produce note differenti a secondo di come oscilla.

Per rendere coerente questa idea, la teoria delle stringhe introduce concetti assolutamente radicali: dimensioni extra dello spazio, geometrie complesse e un livello di astrazione che va ben oltre all'esperienza quotidiana e dietro questa costruzione matematica altamente sofisticata si nasconde però un principio più antico e profondo: il comportamento quantistico dei sistemi fisici.

Se quindi mettiamo temporaneamente da parte le dimensioni extra e l'obiettivo dell'unificazione, si scopre che il cuore della teoria delle stringhe batte allo stesso ritmo della meccanica quantistica. In entrambi i casi, ciò che viene descritto non è un oggetto materiale nel senso classico, ma uno stato dinamico e nella meccanica quantistica questo stato è rappresentato dalla cosiddetta "funzione d'onda".

La funzione d'onda non è un'onda fisica che oscilla nello spazio o come un'onda sull'acqua. È un anch'essa un oggetto matematico che contiene tutte le informazioni possibili relative ad un sistema quantistico. La funzione d'onda non dice dove si trova una particella, ma ci dice quali sono le probabilità di trovare questa particella in un particolare stato quando viene effettuata una misura. Questo è il fatto: Prima dell'osservazione la particella non possiede una posizione, una velocità o un'energia definite perché "esiste" in una "sovrapposizione di possibilità".

Questo è uno degli aspetti più controintuitivi della meccanica quantistica. Cioè, finché non si misura il sistema, la funzione d'onda evolve in modo deterministico secondo le equazioni della teoria "descrivendo una continua interferenza di possibilità" e solo nel momento nel quale si misura avviene il cosiddetto collasso della funzione d'onda: tra tutte le possibilità descritte, una sola diventa reale, mentre tutte le altre scompaiono.

Questo fatidico collasso non è un processo fisico nel senso classico, e non è neanche un'onda che si spezza, è una transizione concettuale, cioè passa da una "situazione di probabilità" a quella dei "risultati osservati". Questo significa che prima della misura la funzione d'onda ci dice quello che potrebbe accadere ed esattamente dopo la misura il sistema passa in uno stato perfettamente definito e quindi in una sola delle possibilità. Questo passaggio ha sollevato - e continua a sollevare - profonde questioni filosofiche sul ruolo dell'osservatore, sulla natura della realtà e sul significato stesso di "esistere".

In questo contesto la teoria delle stringhe può essere vista come una generalizzazione estrema della meccanica quantistica. Invece di applicare la funzione d'onda a particelle puntiformi, la applica a oggetti estesi che vibrano. Ma è importante vedere che il principio resta invariato: ciò che la teoria descrive non sono cose solide e ben definite, bensì stati, oscillazioni e possibilità.

Ritornare dalla teoria delle stringhe alla meccanica quantistica "pura" significa quindi tornare all'essenziale. Significa riconoscere che al livello più profondo la natura non è fatta di oggetti, ma di processi. Le stringhe, con tutta la loro eleganza matematica, non fanno che amplificare una lezione già inscritta nei quanti e cioè che il mondo fondamentale non è statico, non è localizzato e non è definitivo. Quello che ci dice la meccanica quantistica è che tutto è in una vibrazione continua che diventa realtà solo quando viene osservato.