divulgazione scientifica

Così rivoluzionaria, così "impossibile": ecco a voi
la meccanica quantistica

Domenica 8 gennaio 2023 circa 7 minuti di lettura In deutscher Sprache
 Claudio Calosi, professore assistente all’Università di Ginevra e docente all’USI (foto di Eugenio Celesti)
Claudio Calosi, professore assistente all’Università di Ginevra e docente all’USI (foto di Eugenio Celesti)

Tre filosofi e un uomo di scienza si sono confrontati al "Litorale" di Lugano sulla teoria che negli anni ’20 del secolo scorso ha cambiato il modo di descrivere la realtà, e che continua a sorprenderci
di Cesare Alfieri

Nel suo saggio “Il secolo breve”, il grande storico britannico Eric Hobsbawm sostiene che il ‘900 comincia solo nel 1914, allo scoppio del primo conflitto mondiale. Forse è vero a livello storico, ma per la fisica il XX secolo inizia proprio nel 1900, il 14 dicembre per l’esattezza, quando Max Planck parlando alla Deutsche Physikalische Gesellschaft di Berlino segna un punto di non ritorno nella storia del pensiero umano. È l’inizio dell’era quantistica, decenni pionieristici in cui menti sovreccitate e geniali scoprono i mattoni fondamentali della natura dicendoci che, per capirla, dobbiamo rivoluzionare il concetto stesso di comprensione e ridefinire il senso che diamo alla parola “realtà”, in un dialogo che corre sul confine fra fisica e filosofia.
Probabilmente, per chi ha partecipato ai tre incontri del ciclo Il mondo a caso? sull’universo quantistico, che il Litorale USI ha proposto nelle settimane scorse, in collaborazione con l’Istituto di studi filosofici (ISFI) e la facoltà di teologia, l’effettiva comprensione di cosa sia reale è ora davvero più complessa e sfaccettata. In ognuna delle tre serate, il fisico Cesare Alfieri e un diverso filosofo della scienza hanno dialogato con un pubblico attivo e curioso di penetrare i misteri della Natura, quando la si esplora nelle piccolezze della scala atomica.

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Il filosofo Federico Laudisa, professore associato all’Università di Trento e primo ospite de “Il mondo a caso?”, ha raccontato il titanico sforzo intellettuale dei primi anni quantistici. La rassicurante costruzione della gloriosa fisica ottocentesca non riesce più a descrivere il mondo. Per esempio, non può spiegare perché il sole è giallo o perché un tizzone ardente nel camino è rosso, o ancora perché il corpo umano emette raggi infrarossi. Si tratta del fenomeno della radiazione termica: ogni oggetto emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche, e il colore di questa emissione dipende dalla temperatura: per esempio, a 310 K (gradi Kelvin, equivalenti ai 37 gradi centigradi, quelli del corpo umano) il colore dominante è nell’infrarosso, a 5500 K (la temperatura superficiale del sole) è il giallo, a 30000 K è il blu (le stelle caldissime hanno infatti colore blu).  Questo fenomeno rimaneva misterioso per la fisica del XIX secolo, che invece prevedeva per ogni oggetto, indipendentemente dalla sua temperatura, un’emissione infinita di energia oltre l’ultravioletto. Questa incongruenza fra la teoria e la realtà sperimentale è il cruccio di Planck.
Per risolvere la contraddizione Planck è costretto a formulare un’ipotesi che lui stesso reputa senza senso: l’energia elettromagnetica - pensa - deve essere quantizzata, cioè fatta di mattoncini che non possono essere ulteriormente scomposti (i quanti, per l’appunto). L’energia non può allora assumere tutti i valori, ma solo quelli che corrispondono a un numero intero di unità basilari. È un’idea sbalorditiva: è come se un’auto non potesse avere tutte le velocità, ma solo i multipli di una velocità fondamentale (diciamo ad esempio 10 chilometri all’ora): posso dunque viaggiare a 10 km/h o a 20, o a 30 km/h, ma non a 15 o a 25 km/h. Non solo, all’auto è consentito accelerare da 20 a 30 km/h, ma deve farlo senza passare da nessuna velocità intermedia! Solo accettando questa follia si ottiene una formula in grado di descrivere perfettamente la radiazione termica per ogni temperatura. La neonata e già destabilizzante teoria dei quanti marca il primo di una interminabile serie di successi sperimentali.

Dopo Planck segue un periodo confuso, in cui la teoria dei quanti fatica a trovare una sua propria struttura e convive con la fisica classica, come un ospite che piano piano si trasforma nel padrone di casa. Ne è un esempio il modello atomico di Bohr, che vede gli elettroni ruotare attorno al nucleo (come i pianeti attorno al sole), ma concede loro di muoversi solo su alcune orbite consentite e quantizzate.
La svolta avverrà negli anni ’20, quando una generazione di ventenni immaginifici e divergenti come si può esserlo solo a quell’età riesce a dare un volto formale alla meccanica quantistica: Jordan, Pauli, Dirac e Heisenberg sono gli eroi della Knabenphysik (letteralmente “la fisica dei ragazzini”).

IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE - Werner Heisenberg, in particolare, ha un’intuizione deflagrante tanto in fisica quanto in filosofia. Il giovane tedesco si accorge che quando si entra nell’infinitamente piccolo non si possono conoscere contemporaneamente la posizione e la velocità di una particella, che rimangono indefinite. Diventa così impossibile tracciare il movimento punto per punto, istante per istante: questo è il celebre principio di indeterminazione. Tornando al parallelo dell’automobile, sarebbe come se non fosse lecito affermare con certezza che la macchina si trova proprio al chilometro 76 dell’autostrada e sta viaggiando esattamente a 100 km/h in direzione nord. L’indeterminazione depaupera parole come velocità, posizione o traiettoria del senso che diamo loro nella nostra quotidianità, e le riduce a concetti umani, troppo umani. Usiamo queste parole per descrivere i movimenti del nostro mondo, per “seguire” oggetti macroscopici, ma forse non appartengono alla grammatica fondamentale della natura - ha osservato il filosofo Cristian Mariani, ricercatore all’Università della Svizzera italiana, durante il secondo incontro de "Il mondo a caso?".

Pensare all’elettrone come a un pianeta che, in un atomo, orbita attorno al nucleo è dunque errato, in quanto equivale a usare le parole della nostra quotidianità per descrivere un mondo dove esse non hanno significato. 

Ecco perché la fisica dei quanti è così difficile: rende impossibile crearsi un’immagine mentale “semplice” di quello che realmente succede a scala atomica.

SEMPRE NUOVE SFIDE - Dai tempi di Heisenberg le evidenze della fisica dei quanti continuano a stupire. In particolare, gli intrecci di particelle (entanglement in inglese) sono una delle più incomprensibili conseguenze della teoria. Particelle distinte diventano un tutt’uno, e questo tutto offre una descrizione monistica (cioè riducibile a un unico principio) della natura, più fondamentale delle parti che lo compongono - ha affermato il filosofo Claudio Calosi, professore assistente all’Università di Ginevra e docente all’USI, nella serata conclusiva de "Il mondo a caso?". Negli stati entangled, un’azione compiuta su una particella ha immediate ripercussioni su quella a lei intrecciata, anche se le due si trovano ai capi opposti della galassia.

Paragoniamo le particelle a una coppia di calzini che vengono messi in due cassetti diversi. Non conosciamo il colore dei calzini, sappiamo solo che entrambi hanno lo stesso colore e abbiamo il 50% di probabilità che la coppia di calzini sia nera e il 50% che sia blu: i calzini sono in uno stato intrecciato. Apriamo ora il cassetto 1, consapevoli che sarà solo il caso a decidere che colore troveremo. Ipotizziamo di aver trovato un calzino nero; con questa nostra scoperta obblighiamo anche il calzino nel cassetto 2 a scegliere lo stesso colore nel medesimo istante. Attenzione: la fisica quantistica dice che prima che noi aprissimo il cassetto 1, il calzino nel cassetto 2 non era né blu né nero, e il suo colore non era definito. Solo l’atto di aver osservato il primo calzino forza il secondo ad assumere lo stesso colore! I più increduli (e fra loro c’era anche Einstein!) potrebbero obiettare che il calzino nell’altro cassetto fosse nero fin dall’inizio, ma non è così: la comunità scientifica ha voluto riconoscere nel 2022 il premio Nobel al trio di fisici Aspect-Clauser-Zeilinger proprio per aver dimostrato che il calzino quantistico nel cassetto 2 non era nero prima che l’osservatore guardasse l’altro calzino intrecciato (per essere più precisi  e ritrovare gli esperimenti di Aspect-Clauser-Zeilinger dovremmo sostituire la parola calzino con “fotone” e colore con “polarizzazione”). La magia dell’intreccio è strabiliante ma fragile: dopo l’osservazione, essa svanisce e i due calzini non saranno più entangled.

Cosa sembra rimanere dopo lo scorcio che “Il mondo a caso?” ci ha offerto sulla natura subatomica? Secondo la fisica quantistica la nostra possibilità di conoscere il mondo è limitata, la nostra capacità di definirlo è sfocata, la nostra curiosità distrugge ciò che volevamo guardare. Il mondo dei quanti si nasconde nelle pieghe più intime di una realtà che ci è preclusa, che forse nemmeno esiste.

Limiti e restrizioni sono imposte dalla stessa teoria che più di ogni altra ci ha portato al dominio tecnologico della natura: un paradosso in più fra i tanti della meccanica quantistica.