Perché il tempo scorre dal passato verso il futuro e non viceversa? Le relazioni tra causa ed effetto seguono sempre un ordine preciso? E fino a che punto le leggi della fisica quantistica possono aiutarci a comprendere la struttura dell’universo? Sono interrogativi che attraversano da oltre un secolo il dibattito scientifico e filosofico e che diventano il punto di partenza di un nuovo progetto di ricerca internazionale, finanziato con oltre 4,1 milioni di dollari dalla John Templeton Foundation. Si chiama Open Quantum Systems and Causal Structure of Reality ed è un programma di ricerca co-diretto dal Politecnico di Milano e dalla University of Bristol, che riunirà matematici, fisici e filosofi della scienza di istituzioni europee e statunitensi. L’obiettivo è affrontare alcune delle questioni fondamentali ancora aperte nella comprensione del mondo quantistico, sviluppando strumenti teorici e matematici capaci di descrivere fenomeni che mettono in discussione le rappresentazioni tradizionali della realtà fisica. Il progetto prenderà ufficialmente avvio il 1° dicembre 2026 e avrà una durata di 33 mesi. Alla guida della collaborazione internazionale ci saranno Giovanni Valente, professore del Dipartimento di Matematica del Politecnico di Milano, e Karim Thébault della University of Bristol.
Fisica quantistica, il progetto che mette in discussione due ipotesi tradizionali
Il cuore della ricerca riguarda due ipotesi che hanno avuto un ruolo importante nello sviluppo delle teorie fisiche: la possibilità di descrivere i sistemi quantistici come isolati dall’ambiente e l’esistenza di una struttura spaziale e temporale prestabilita all’interno della quale collocare le relazioni causali tra gli eventi. Il nuovo progetto propone di affrontare queste due questioni da una prospettiva diversa. I sistemi fisici, infatti, non esistono necessariamente come entità completamente separate dal contesto che li circonda, ma interagiscono continuamente con l’ambiente. Questa caratteristica diventa centrale quando si cerca di comprendere il comportamento dei sistemi quantistici e le conseguenze delle loro interazioni. Parallelamente, la meccanica quantistica apre interrogativi sulla possibilità che, in determinate situazioni, l’ordine causale degli eventi non sia definito in maniera univoca. La relazione tra ciò che avviene prima e ciò che avviene dopo, e tra ciò che costituisce una causa e ciò che rappresenta un effetto, diventa così un problema teorico da approfondire. La sfida consiste nel comprendere come queste due prospettive possano essere integrate in un’unica impostazione di ricerca, capace di affrontare contemporaneamente il comportamento dei sistemi quantistici aperti e la struttura causale della realtà.
Perché il tempo va dal passato al futuro? Il mistero della freccia del tempo
Una delle domande fondamentali al centro dell’indagine riguarda la cosiddetta freccia del tempo, ovvero la direzione attraverso la quale distinguiamo il passato dal futuro. Nell’esperienza della realtà fisica, il tempo appare caratterizzato da una direzione riconoscibile. Eppure, alcune delle leggi fondamentali della fisica non individuano, di per sé, una direzione temporale privilegiata. Da questa apparente differenza tra le proprietà delle leggi fisiche e il modo in cui osserviamo lo svolgimento degli eventi nasce uno degli interrogativi che la ricerca intende approfondire. Il programma scientifico analizzerà questo problema anche attraverso lo studio della decoerenza quantistica e lo sviluppo di modelli matematici che tengano conto di dinamiche non-Markoviane. Si tratta di un ambito di ricerca collegato alla descrizione dei sistemi quantistici che interagiscono con l’ambiente e alla comprensione della loro evoluzione. La direzione del tempo sarà quindi affrontata non come una questione isolata, ma in relazione alle proprietà dei sistemi quantistici aperti e agli strumenti necessari per rappresentarne matematicamente il comportamento.
Causa ed effetto nel mondo quantistico: il ruolo dell’entanglement
Un altro settore fondamentale del progetto riguarda la causalità nella fisica quantistica e, in particolare, il rapporto tra sistemi separati nello spazio e nel tempo. Tra i fenomeni su cui si concentrerà l’attenzione figura l’entanglement quantistico, una proprietà attraverso la quale lo stato di sistemi quantistici può presentare correlazioni che non possono essere descritte considerando separatamente i singoli sistemi. La ricerca si concentrerà su una questione precisa: è possibile distruggere l’entanglement tra sistemi quantistici separati spazio-temporalmente intervenendo soltanto a livello locale? Il problema rientra nell’indagine più ampia sulla struttura delle relazioni causali e sulla possibilità di descriverle senza assumere necessariamente un ordinamento degli eventi già determinato. L’obiettivo è elaborare strumenti teorici che permettano di analizzare queste proprietà all’interno di una descrizione dei sistemi fisici fondata sulle loro interazioni con l’ambiente.
Dalla meccanica quantistica alla cosmologia: nuove domande sulla natura dell’universo
Le questioni affrontate dal progetto avranno implicazioni anche per la cosmologia quantistica, il settore di ricerca che studia come applicare i principi della teoria quantistica alla comprensione dell’universo. Il rapporto tra spazio, tempo e causalità assume infatti un’importanza particolare quando l’indagine scientifica si estende alla struttura fondamentale della realtà. Comprendere in che modo possano essere rappresentate le relazioni causali e quale ruolo svolgano le interazioni tra sistemi quantistici costituisce una parte significativa del percorso teorico previsto dalla collaborazione internazionale. Per affrontare queste domande, il progetto adotterà un approccio che integrerà ricerca teorica, modellazione matematica, analisi filosofica e attività sperimentali. L’incontro tra discipline differenti rappresenta uno degli elementi centrali del programma, con l’intento di costruire un quadro di indagine in cui le formulazioni matematiche, le interpretazioni filosofiche e gli aspetti sperimentali della meccanica quantistica possano contribuire allo studio degli stessi problemi fondamentali.
Giovanni Valente: “affronteremo alcuni dei temi maggiormente dibattuti nel corso dell’ultimo secolo”
Il coinvolgimento del Politecnico di Milano assegna al Dipartimento di Matematica un ruolo centrale sia nel coordinamento delle diverse unità di ricerca sia nello sviluppo di nuovi risultati matematici e filosofici. A illustrare il significato scientifico dell’iniziativa è Giovanni Valente, co-direttore del progetto e professore del Dipartimento di Matematica dell’ateneo milanese. “Siamo estremante contenti di ospitare questo progetto, che dimostra l’alto posizionamento del nostro dipartimento nel panorama internazionale sui fondamenti della fisica quantistica. Affronteremo alcuni dei temi maggiormente dibattuti nel corso dell’ultimo secolo, quali la causalità, la freccia del tempo e la natura del mondo quantistico, partendo però da un presupposto non convenzionale, ovvero che i costituenti della materia siano sistemi fondamentalmente aperti. Come tale, la nostra ricerca richiede la collaborazione fra diverse discipline: al fine di dare una risposta sistematica alle domande fondazionali ancora aperte, gli aspetti teorici e sperimentali della fisica quantistica verranno integrati dal rigore formale della matematica e dagli strumenti interpretativi della filosofia della scienza. Il gruppo che lavorerà all’interno del Politecnico di Milano avrà un ruolo chiave nella realizzazione del progetto, sia sotto il profilo del coordinamento generale fra le varie unità che dal punto di vista del conseguimento di nuovi risultati matematici e filosofici”, dichiara Giovanni Valente.
Il laboratorio FoQuS del Politecnico di Milano e i tre sottoprogetti di ricerca
All’interno del Politecnico di Milano, le attività scientifiche coinvolgeranno il laboratorio FoQuS – Foundations of Quantum Systems, presso il Dipartimento di Matematica. Oltre a Giovanni Valente, prenderanno parte al progetto i professori Michele Correggi e Vojkan Jaksic, responsabili di due specifici sottoprogetti, insieme a Fabrizio Colombo, Franco Fagnola, Davide Fermi e Irene Sabadini. Il lavoro del gruppo milanese sarà articolato principalmente in tre sottoprogetti scientifici collegati, ciascuno dedicato a un problema fondamentale della fisica quantistica e della sua formulazione matematica. Il primo, diretto da Giovanni Valente, riguarderà il problema della causalità, con particolare attenzione alla possibilità di distruggere l’entanglement tra sistemi quantistici separati nello spazio e nel tempo attraverso interventi locali. Il secondo, affidato a Michele Correggi, sarà dedicato alla direzione del tempo e allo sviluppo di modelli di decoerenza quantistica con dinamica non-Markoviana, approfondendo così uno degli aspetti centrali della descrizione dei sistemi fisici aperti. Il terzo sottoprogetto, guidato da Vojkan Jaksic, esaminerà invece le relazioni tra la geometria dell’informazione e la meccanica statistica fuori dall’equilibrio, affrontando un ulteriore ambito di indagine matematica collegato allo studio dei sistemi fisici.
Il contributo della filosofia della scienza e la collaborazione con META
Accanto al lavoro del laboratorio FoQuS, la ricerca coinvolgerà anche META – Social Sciences and Humanities for Science and Technology, il gruppo interdisciplinare del Politecnico di Milano di cui Giovanni Valente fa parte. La partecipazione di META rafforzerà il dialogo tra ricerca scientifica e riflessione filosofica, uno degli elementi distintivi dell’intero programma internazionale. L’analisi delle questioni fondamentali della meccanica quantistica richiederà infatti non soltanto lo sviluppo di nuovi strumenti matematici, ma anche un approfondimento dei concetti utilizzati per interpretare la realtà fisica. In questo contesto, matematica, fisica e filosofia della scienza saranno chiamate a confrontarsi su problemi condivisi, dalla natura delle relazioni causali alla descrizione della direzione del tempo, fino alle implicazioni teoriche dei sistemi quantistici aperti.
Una collaborazione internazionale tra Europa e Stati Uniti
Il programma finanziato dalla John Templeton Foundation coinvolgerà un’ampia rete di istituzioni universitarie, con il Politecnico di Milano e la University of Bristol impegnati nella co-direzione delle attività. Alla collaborazione prenderanno parte anche ricercatrici e ricercatori delle università di Monaco, Groningen, Lancaster, Vienna, Madrid e Chapman, quest’ultima negli Stati Uniti. La rete internazionale consentirà di riunire competenze provenienti da differenti ambiti della ricerca, affrontando attraverso prospettive complementari i problemi della causalità, della struttura temporale e della natura dei sistemi quantistici. Con l’avvio previsto per il 1° dicembre 2026, prenderà così forma un percorso di ricerca di 33 mesi che metterà al centro alcune delle domande più profonde della fisica contemporanea, cercando nuove risposte attraverso l’integrazione tra indagine scientifica, formalizzazione matematica e interpretazione filosofica.
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