DAI MATTONCINI AI QUANTI

DAI MATTONCINI AI QUANTI FRA SCIENZA E FANTASCIENZA– RESTANO UN REBUS I FONDAMENTI DEL MONDO: I QUANTI SONO CONCENTRATI DI ENERGIA CHE CAMBIANO DI NATURA, SI INFLUENZANO MUTANDO, ANCHE SE LONTANISSIMI, E DI CUI NON SIAMO IN GRADO DI STABILIRE, CONTEMPORANEAMENTE, VELOCITA’ E POSIZIONE

ALL’ ISTITUTO DI FISICA DI FRASCATI UN CORSO SPIEGA LA MECCANICA QUANTISTICA E LE SUE APPLICAZIONI PARLANDO DI FILOSOFIA  

La meraviglia di fronte alle cose, la capacità di provare stupore per la bellezza e il mistero del mondo: questa è l’origine della filosofia secondo il grande filosofo greco Aristotele. Nella Metafisica si legge infatti: “Gli uomini hanno cominciato a filosofare, ora come in origine, a causa della meraviglia: mentre da principio restavano meravigliati di fronte alle difficoltà più semplici, in seguito giunsero a porsi problemi sempre maggiori: per esempio i problemi riguardanti i fenomeni della luna e quelli del sole o degli astri, o i problemi riguardanti la generazione dell’intero universo”.

Da insegnante di filosofia con la passione per la scienza, devo dire che è stato proprio il sentimento della meraviglia a dominare il mio animo mentre attraversavo il cancello d’ingresso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Frascati alle porte di Roma che, in lontananza, appariva placida e sorniona.

Qui a Frascati le fonti della meraviglia non si ritrovano solo nell’infinitamente grande (lo studio degli impressionanti fenomeni cosmici, dall’evoluzione delle stelle ai buchi neri e alle onde gravitazionali) bensì anche nell’infinitamente piccolo, mediante lo studio profondo della materia e dell’energia: stiamo parlando di livelli di misura incredibilmente piccoli, livelli in cui opera la fisica delle particelle, ossia dell’ordine di 10ˉ³⁴ m (scala di Planck), dove ci appare un mondo assolutamente sorprendente, con fenomeni che divergono radicalmente dalla nostra esperienza quotidiana della realtà. Ed è proprio per conoscere la teoria fisica che si occupa di spiegare i sorprendenti fenomeni subatomici, che sono partito dalla lontana e assolata Gallipoli per arrivare a Frascati, fiore all’occhiello della ricerca scientifica italiana: si tratta della meccanica quantistica.

La meccanica quantistica è la teoria fisica che, insieme alla relatività di Albert Einstein, ci consente di dare una spiegazione abbastanza soddisfacente di tutti i fenomeni che osserviamo in natura, dal comportamento delle particelle subatomiche più piccole (per esempio i quark) fino alle stelle e alla loro evoluzione più estrema (per esempio i buchi neri). La fisica quantistica è un campo molto difficile e complesso, ma allo stesso tempo anche molto misterioso e affascinante; uno dei suoi grandi fondatori, Niels Bohr, osservò infatti: “Se ti sembra di aver capito la fisica quantistica, allora non hai capito niente!”. Eppure la fisica dei quanti ha trovato (e trova) un grande riscontro sul piano sperimentale e, in effetti, permea di sé buona parte della nostra vita quotidiana, ma spesso non ce ne rendiamo pienamente conto: senza di essa, per esempio, non potremmo fare una risonanza magnetica nucleare quando abbiamo un problema di salute, non potremmo usare il laser quando andiamo dall’estetista o dal dermatologo, non potremmo scrivere al computer né fare una telefonata dal nostro cellulare, non parliamo poi di cucinare col forno a microonde o guardare la televisione! Insomma, senza la meccanica quantistica la nostra vita sarebbe piuttosto diversa da come siamo abituati a percepirla; e nemmeno sul piano strettamente scientifico riusciremmo a capire granché di elettronica, di chimica moderna, di scienza dei materiali e nanotecnologie.

Frascati sorge sui Colli Albani, attraversata dalla via Tuscolana e in posizione dominante rispetto a Roma, gode di un clima prettamente mediterraneo con un paesaggio collinare molto simile a quello toscano, punteggiato di oliveti, vigneti e sopiti casali. L’INFN si inserisce discretamente in questo contesto, con laboratori avveniristici e sempre in piena attività, intervallati da verdi prati su cui crescono, rigogliosi, lecci, lentischi, pini marittimi, in un’atmosfera amena e rilassante che sicuramente favorisce la riflessione intorno alle tematiche più profonde della fisica moderna. C’è davvero bisogno di calma e concentrazione per affrontare i tre giorni di corso: sono pienamente consapevole che la meccanica quantistica è un “osso duro” perché presenta una struttura matematica molto complessa che si coniuga con una visione della natura decisamente astratta e lontana dal modo ordinario di percepire le cose. So che da docente di filosofia parto in condizione di svantaggio rispetto ai colleghi di matematica e fisica, ma non importa, non voglio scoraggiarmi! e decido di affrontare il corso con la mente aperta e curiosa, con la passione verso la conoscenza di concetti nuovi, di modi diversi di vedere la realtà, inconsueti e sorprendenti, come se si trattasse di studiare e risolvere un affascinante mistero. E mi sovvengono le parole intrise di curiositas proferite da Guglielmo da Baskerville, il frate detective protagonista de Il nome della rosa di Umberto Eco: “Mio buon Adso, non dobbiamo farci influenzare dalle farneticanti voci sull’anticristo ma dobbiamo affrontare i problemi come se dovessimo trovare la soluzione a un complesso enigma”. Dopotutto, mi dico, ciò che più conta per un docente di filosofia, al di là degli aspetti tecnici (matematici), è proprio la Weltanschauung (come dicono i tedeschi), la “visione del mondo”, il guardare al mondo da una prospettiva nuova, e questo, a mio avviso, è l’unico modo per ridare “vigore” a una ricerca filosofica che ormai da molti anni in Italia giace esangue sulle secche di uno storicismo autoreferenziale e inconcludente. Qui all’INFN di Frascati scopro un mondo inaspettato dove scienza e filosofia traggono sostegno e vitalità l’una dall’altra e riscoprono le loro radici comuni: la contrapposizione fra le due culture, umanistica e scientifica, qui non esiste ma sono spontaneamente portate verso il dialogo! D’altro canto, la meccanica quantistica presenta una natura profondamente filosofica dalle conseguenze concettualmente straordinarie, a cui la filosofia dovrà necessariamente aprirsi. In effetti, fin dall’inizio, molti sono i filosofi che sento citare nei vari interventi che si dipanano lungo i tre giorni del corso: da Anassimandro a Democrito, da Aristotele a Newton, da Leibniz a Kant! Alla fine del XIX secolo la maggior parte degli scienziati e dei filosofi appariva convinta di essere vicino alla comprensione dei principi fondamentali della Natura. La meccanica di Isaac Newton e l’elettromagnetismo di James C. Maxwell sembravano in grado di spiegare ogni fenomeno naturale, dal movimento dei corpi nello spazio al comportamento delle cariche elettriche, e l’intero universo risultava sempre più un grande “meccanismo” caratterizzato da dinamiche chiare e deterministiche. La comunità scientifica sembrava sul punto di realizzare il grande sogno di Pierre S. Laplace, secondo il quale se fosse stato possibile, in un dato istante, conoscere tutte le forze agenti in natura e la posizione di tutti i corpi che in essa si muovevano, allora avremmo potuto calcolare con precisione matematica tutta l’evoluzione dell’universo da quel momento in poi, indefinitamente!

Tuttavia, a uno sguardo più attento non poteva sfuggire che all’interno di tale “paradigma classico” di tipo meccanicista si stavano profilando difficoltà e contraddizioni difficilmente razionalizzabili nell’ambito della fisica classica. La termodinamica, ad esempio, pervenendo all’individuazione di fenomeni irreversibili si collocava al di fuori di tale paradigma, fondato invece sulla reversibilità e riproducibilità dei fenomeni e degli esperimenti. D’altronde, anche gli studi sui fenomeni elettrici e magnetici creavano non poche difficoltà all’impostazione classica in quanto ammettevano l’esistenza di una forza (elettromagnetica) di natura completamente diversa da quella meccanica. Maxwell poi, mediante una serie di storiche equazioni, sul finire dell’Ottocento, aveva unificato elettricità e magnetismo all’interno della nozione campo elettromagnetico. La luce stessa appariva come un fenomeno elettromagnetico dalle caratteristiche ondulatorie: si riapriva, pertanto, la vexata quaestio concernente il rapporto dualistico fra la teoria corpuscolare della luce sostenuta da Isaac Newton e quella ondulatoria sostenuta da Christiaan Huygens.

Se tali problematiche hanno certamente preparato il terreno per la crisi della fisica classica e l’avvento della fisica quantistica, è stato lo studio approfondito dell’atomo quale costituente fondamentale della materia a segnare l’inizio della rivoluzione quantistica. Da questo punto di vista la meccanica quantistica costituisce certamente la più grande trasformazione che la scienza ha subito nel XX secolo e rappresenta, ancora oggi, nei suoi principi fondamentali, la teoria essenziale per capire cosa avviene nella materia a livello subatomico: il mondo atomico risulta profondamente diverso dalla realtà che sperimentiamo quotidianamente con i nostri sensi; i costituenti ultimi della materia sono governati da una intrinseca dualità: si comportano sia come particelle che come onde; energia e materia sono equivalenti e non rappresentano un processo continuo bensì discontinuo. E’ stato il fisico tedesco Max Planck a comprendere la sostanziale discontinuità che caratterizza sia la materia che l’energia, e proprio a lui dobbiamo il temine “quanto” (da cui quantistico) ovvero “pacchetto di energia”, l’entità elementare di tutti i processi naturali, dai quark alle stelle.

Pertanto, tutte la particelle che costituiscono gli atomi, ossia gli elementi di cui siamo fatti noi uomini e tutta la natura, si compongono di pacchetti concentrati di energia definiti “quanti” che si comportano sia come corpuscoli che come onde a seconda delle situazioni sperimentali: corpuscoli, come dimostrato da Einstein nel 1905 con l’esperimento sull’effetto fotoelettrico che portò all’individuazione dei fotoni o “quanti” di luce; onde, come dimostrato da Clinton Davisson e Lester Germer nel 1927 con l’esperimento sulla diffrazione degli elettroni passanti per una doppia fenditura. Uno dei primi fisici a comprendere pienamente tale duplicità (un vero e proprio dualismo onda/corpuscolo) della materia e ad associare un’onda a ciascuna particella è stato il francese de Broglie nel 1924; l’anno successivo il tedesco Erwin Schrödinger ha descritto in termini matematici le proprietà della vibrazioni d’onda mediante la funzione d’onda ψ: questa contiene tutte le informazioni dinamiche di un sistema fisico.

Last but not least, per completare la “stranezza” del mondo dei quanti apprendo che vi sono ancora due ingredienti davvero stupefacenti. Il primo: quando si cerca di reperire informazione sulla posizione e sulla velocità di una particella subatomica (ad esempio un elettrone) ci veniamo a trovare di fronte a una sorta di aut-aut: quando proviamo a determinare la sua posizione siamo costretti a trascurarne la velocità; viceversa, quando proviamo a determinarne la velocità perdiamo di vista la sua posizione. Si tratta, in altri termini, della natura indeterministica e probabilistica del mondo quantistico, riassunto in modo straordinariamente efficace dal principio di indeterminazione di Werner Heisenberg: “non è possibile stabilire con esattezza e contemporaneamente due variabili quali posizione e quantità di moto di una particella”. Inoltre, occorre sottolineare che tale indeterminismo non dipende dai limiti dei nostri strumenti di misurazione, si tratta piuttosto di una caratteristica intrinseca alla materia!

Il secondo ingrediente, forse quello più straordinario e paradossale, è strano anche nel nome: entanglement. Per comprendere il fenomeno dell’entanglement (intreccio) immaginiamo di far interagire due particelle subatomiche (ad esempio due elettroni) per un certo periodo di tempo per poi procedere alla loro separazione, collocando una di esse dall’altra parte dell’universo. Se ora modifichiamo lo stato fisico della prima particella, quella collocata dall’altra parte dell’universo subirà la stessa identica modificazione nel medesimo istante! Sembra fantascienza ma in realtà non lo è affatto, ci sono esperimenti scientifici, come quelli effettuati presso il Caltech di Pasadena in California nel 1998, che hanno dimostrato la presenza oggettiva dell’entanglement, ossia la capacità delle particelle di comunicare fra loro trasmettendo ed elaborando informazioni in modo istantaneo, a dispetto del principio di località classico secondo il quale “ogni azione su un sistema non può cambiare la realtà fisica di un altro sistema separato spazio-temporalmente dal primo”.

Quindi, come abbiamo osservato più sopra, il mondo dei quanti, che è poi il mondo reale in cui viviamo quotidianamente, è molto diverso e infinitamente più sorprendente rispetto a quello a cui i nostri sensi ci hanno abituato: dietro il velo di Maya si cela una realtà estremamente più complessa e meravigliosa che, grazie alla scienza e alla tecnica, stiamo imparando a conoscere.

Tra oggetti che possono trovarsi in stati ben distinti nello stesso istante, corpuscoli e onde; fra oggetti che possono influenzarsi a distanza in modo immediato; il tutto descritto da una fisica che si muove in un contesto indeterministico e che può fare previsioni semplicemente probabilistiche ma con importanti successi tecnologici: insomma, se Aristotele potesse sedere sulle comode poltrone della grande sala delle conferenze, qui all’INFN di Frascati, non avrebbe alcun dubbio: la filosofia nasce proprio dall’osservazione di questo meraviglioso mondo della Natura!

Articolo di Massimo Stevanella, che con questo lavoro inizia la sua collaborazione con ninconanco.it

L’autore insegna filosofia nei licei ed è autore del libro La scoperta scientifica e la sua logica, Mimesis editore, 2012