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Come funziona il mondo?

8, Giugno 2007 Inviato da Giovanni Ruggia in : storia e scienza , trackback

“Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it
Niels Bohr.

L’ esperienza ci ha abituati a un mondo concreto e solido. L’ indagine scientifica della natura invece ci ha fatto scoprire una realtà totalmente insospettata composta da elusive entità che possono comportarsi, a seconda delle condizioni dell’ osservazione, come particelle o come onde, secondo astratte formule matematiche che descrivono solamente la probabilità che esse si trovino in un dato luogo e che si muovano in un determinato modo.

La fisica di tutti i giorni – quella che ci permette di far circolare i treni, di far volare gli aerei, ascoltare la radio, costruire grattacieli, produrre cibo e vestiti, interagire con altri esseri viventi- ci ha abituati a un mondo composto da atomi, molecole, reticoli cristallini e onde elettromagnetiche che trasmettono informazione tra di essi. Un mondo concreto e solido.
L’ indagine scientifica della natura ci ha fatto scoprire invece una realtà totalmente insospettata: la realtà fisica è composta da elusive entità che possono comportarsi, a seconda delle condizioni dell’ osservazione, come particelle o come onde, che sono descritte da astratte formule matematiche – le cosiddette funzioni d’ onda – che rappresentano solamente la probabilità che esse si trovino in un dato luogo e che si muovano in determinato modo. In altre parole non possiamo conoscere esattamente lo stato di una particella, possiamo solo descrivere le sue probabilità di trovarsi in certi luoghi e muoversi in determinati modi. Una particella è una sovrapposizione di possibili stati. Solo al momento dell’ interazione con un apparato di misura, la funzione d’ onda collassa e fra gli innumerevoli stati possibili della particella si realizza lo stato fisico osservato.
Alla domanda su come funziona il mondo non ci sono risposte facili o spiegazioni semplici e intuitive. Dobbiamo rassegnarci a fare un certo sforzo seguendo le spiegazioni di un esperto.

Si può iniziare osservando la strana natura di luce e particelle. La luce esibisce normalmente le proprietà di un’ onda. In particolare se essa viene inviata contro uno schermo con due fini fessure, la luce che riesce a passare assume una cosiddetta figura di interferenza: una serie di fini strisce luminose dove i massimi delle onde luminose coincidono e di strisce buie dove un massimo e un minimo si cancellano a vicenda. Se inviamo delle particelle, p. es degli atomi, non ci aspetteremmo una tale configurazione ma in realtà ciò è proprio quel che succede. Gli atomi che passano le fessure, si accumulano in traiettorie che mostrano tutte le caratteristiche dell’ interferenza, cioè si comportano come onde. Ma ciò che è più strano è che se utilizziamo un detettore per registrare da quale fessura passano gli atomi, l’ interferenza sparisce, essi si comportano come noi ci attendiamo si comportino delle particelle. Sembra proprio che gli atomi “sappiano” di essere osservati e si comportino allora da “vere” particelle.

Il nome meccanica quantistica deriva dall’ ipotesi di Planck, formulata nel 1900, per spiegare uno strano fenomeno riguardo allo spettro d’ emissione del corpo nero, e cioè che l’ energia è emessa in pacchetti discreti, detti appunto quanti.
Un altro fenomeno, apparentemente inspiegabile a quel tempo, era il fenomeno fotoelettrico: l’ abilità della luce di rimuovere elettroni da un metallo elettricamente carico dipende dalla frequenza e non dall’ intensità. Ciò fu spiegato da Einstein nel 1905, postulando che la luce è composta da corpuscoli detti fotoni, la cui energia dipende dalla frequenza. Sconcertante vero? Un fotone (una particella) viene associato a una frequenza e una lunghezza d’ onda (caratteristiche di un’ onda). La luce quindi ha una doppia natura, ondulatoria e corpuscolare. In certe circostanze si comporta come un’ onda in altre come una particella.
Altra stranezza, gli elettroni orbitanti attorno al nucleo atomico dovrebbero schiantarvisi immediatamente secondo la teoria elettromagnetica classica. Solo postulando che essi si muovono in livelli energetici definiti (Bohr 1912) si può spiegare come riescano a stare in orbita attorno al nucleo.
Negli anni ’20 del XX secolo De Broglie postulò che non solo la luce ma tutta la materia in movimento possiede una doppia natura corpuscolare-ondulatoria. Ciò potè essere confermato nel 1927 quando, per la prima volta, un fascio di elettroni fu osservato dare origine a interferenza. Oggi lo si può addirittura fare con molecole di buckmisterfillerene (intrigante questo nome), composte da 60 atomi di carbonio.
Le idee di De Broglie furono riprese da Schrödinger il quale formulò l’ equazione che porta il suo nome e che descrive non come una particella si muove ma come una onda evolve. Ciò permette di descrivere una quantità matematica detta funzione d’ onda, ossia la probabilità di trovare una data particella in un dato luogo. Solo al momento di un’ osservazione la probabilità di trovare la particella in qualsiasi altro luogo diventa 0, si dice che la funzione d’ onda collassa e la particella diventa tale. Molti fisici credono che in assenza di osservazione la particella è la funzione d’ onda stessa.
Un grande successo della meccanica quantistica fu spiegare il decadimento dei nuclei atomici radioattivi, cioè l’ emissione di particelle nucleari, un fenomeno inspiegabile per la meccanica classica newtoniana. Telegraficamente, ciò avviene semplicemente perché la funzione d’ onda delle particelle emesse dal nucleo radioattivo si estende su uno spazio maggiore dello spazio occupato dal nucleo atomico e quindi esiste una probabilità non nulla che in determinati momenti queste particelle si trovino all’ esterno del nucleo, siano cioè state emesse. Ciò avviene naturalmente in modo totalmente probabilistico, cioè non si può prevedere quando un determinato nucleo decadrà, si può solo dare la frequenza con cui tale fenomeno si può osservare e calcolare l’ emivita del nucleo atomico in questione, cioè il tempo entro il quale la metà dei nuclei sotto osservazione sarà decaduta.

Ma le stranezze non finiscono qui. Quando parliamo di funzione d’ onda parliamo di un oggetto matematico, che può quindi essere trattato con strumenti matematici, essere sottoposto a operazioni. La funzione d’ onda può essere descritta come la combinazione di due o più funzioni d’ onda: una superposizione di funzioni d’ onda. Ma attenti, questo non è solo un capriccio ingiustificato; al contrario ciò permette di spiegare il fenomeno dell’ interferenza. La funzione d’ onda di una particella è la somma di due funzioni d’ onda che hanno percorso i due bracci di un interferometro∗. Non due nuove onde nate dall’ interazione con l’ apparecchio, come accadrebbe con onde classiche su una superficie d’ acqua, ma la combinazione di due parti della stessa funzione d’ onda in stretta relazione tra di loro, anche se dovessero alla fine venire a trovarsi agli antipodi della galassia. E non è finita, se piazziamo un detettore lungo un braccio per vedere da dove passa la particella, il fenomeno dell’ interferenza sparisce e vediamo non più un onda ma una particella nel 50% dei casi.
Possiamo fare anche l’ operazione inversa. Se una funzione d’ onda può essere descritta come una somma di due o più funzioni d’ onda, due o più funzioni d’ onda possono essere sommate per descrivere l’ interazione di due particelle. A partire dal momento dell’ interazione le particelle, descritte da una sola funzione d’ onda, sono connesse (“entangled”) fino al momento di una nuova osservazione. In questo stato ogni interazione di una particella avrà effetto immediato pure sull’ altra indipendentemente dalla distanza che li separasse. Il fenomeno è conosciuto come non-località. Paradossale: un’ influenza tra le due particelle sembra propagarsi istantaneamente, superando la velocità della luce. Il paradosso è risolto considerando appunto la funzione d’ onda connessa (entangled): misurando una qualsiasi proprietà di una delle particelle, la funzione d’ onda della combinazione collassa e l’ altra particella è a sua volta dotata della proprietà corrispondente. Sembra tutto un incredibile sacco di stupidaggini (“load of rubbish” come la moglie di un famoso fisico pare abbia detto) ma è stato provato scientificamente. Nel 1964 un fisico irlandese di nome Bell ha formulato un esperimento per testare la non località e nel 1982 a Parigi un team di fisici diretto da Aspen ha potuto davvero falsificare il teorema di Bell e provare che la meccanica quantistica è veramente non locale e descrive realmente come il mondo funziona.

Ma allora, se la realtà fisica si realizza solo al momento dell’ osservazione, significa che il mondo esiste solo se lo osserviamo? Be’, è difficile non fare alcuna osservazione. Il mondo di quaggiù non possiamo evitare di sentirlo con i nostri sensi, è inevitabile interagire con esso; anche se chiudo gli occhi, posso udirne i suoni, fiutarne gli odori, sentire il contatto fisico con tutto ciò che mi circonda. Quindi la domanda, in un certo qual modo, potrebbe non avere senso. Ma la luna? Per dirla con Einstein, la luna esiste solo se la guardiamo? La luna, la posso percepire solo con gli occhi, se li chiudo quindi potrebbe anche non esistere?
Che cosa significa allora fare un’ osservazione? È il momento in cui registriamo consciamente un evento?
Per prima cosa un’ osservazione è una interazione tra un osservato e un osservatore, una connessione (entanglement) tra una particella quantistica e un sistema macroscopico. Ora una superposizione di stati differenti in un sistema che comporta miliardi e miliardi di atomi non può mantenersi a lungo e sparisce istantaneamente: si parla di decoerenza. Gli esperimenti descritti in precedenza hanno potuto essere eseguiti solo nel vuoto, in assenza di molecole d’ aria o altro che interferissero con le funzioni d’ onda delle particelle osservate.
Se la realtà fisica è descritta da funzioni d’ onda che danno solo la probabilità di trovare una particella-onda in un dato luogo e/o la sua quantità di moto come mai riusciamo a sentire concretamente gli oggetti che ci circondano? Come ci spieghiamo la concretezza e la determinatezza del mondo fisico che ci circonda, se è composto da particelle così elusive?
La solidità e concretezza del mondo reale, malgrado la elusività e la stranezza del comportamento delle particelle fisiche studiate isolatamente, è spiegata dal fenomeno appena descritto della decoerenza. Ogni corpo fisico è composto da innumerevoli particelle (atomi, molecole) che interagiscono tra di loro. Lo stato di indeterminatezza quantica di un sistema macroscopico presupporrebbe che tutte le funzioni d’ onda di tutte le particelle siano coerenti, ma questo è possibile solo in un sistema composto da pochissime particelle (oppure in un superconduttore). Le innumerevoli interazioni che si svolgono in un sistema composto da grandi quantità di particelle, combinate con le interazioni inevitabili con il resto dell’ universo, rendono le funzioni d’ onda istantaneamente incoerenti e provocano il decadimento dello stato di sovrapposizione, rendendo nel contempo incommensurabilmente improbabili altre eventualità.
Possiamo stare tranquilli quindi, la luna continua ad esistere anche quando non la guardiamo. Senza contare che alcuni sostengono di sentire comunque l’ influenza dei corpi celesti.

Se a questo punto vi sembra di essere più confusi di prima non preoccupatevi: siete in buona compagnia. Nemmeno i fisici sanno esattamente che senso dare alla meccanica quantistica. Ci sono decine di interpretazioni differenti. E molti pensano che non ha senso cercare di dare un senso. La meccanica quantistica è perfetta per descrivere come il mondo funziona, come gli atomi si comportano, come la materia che ci circonda ha le proprietà che le conosciamo, come le reazioni chimiche e i fenomeni biologici avvengono. Tutto qui.
Oppure tutto ciò significa solamente che la meccanica quantistica è solo ancora un’ approssimazione come la meccanica classica che l’ ha preceduta e che dovremo cercare leggi più fondamentali.

Mi rendo conto che le mie spiegazioni potrebbero non avere spiegato nulla e che ora ne sappiate quanto prima su come funziona il mondo. Forse un esperto di fisica quantistica potrebbe trovare qualche indizio in quanto ho scritto, non necessariamente di comprensione della fisica quantistica da parte mia ma, quantomeno, di dove abbia sbagliato.
D’ altra parte mi consolo pensando che forse non è tutta colpa mia. Nemmeno i libri che ho citato possono spiegare esaurientemente che senso dare alle piû recenti scoperte della fisica. Per prima cosa, il quadro non è completo. La fisica moderna non sa ancora come conciliare la relatività e i quanti, o come spiegare i fenomeni emergenti. Inoltre, e ciò è probabilmente ancora più fondamentale, verosimilmente la nostra mente non è fatta per capire come funziona la realtà fisica, essa ha dei limiti sotto questo aspetto. Questi limiti stanno in relazione con la funzione stessa della nostra mente che è il risultato dell’ evoluzione naturale della nostra specie. Il nostro cervello non si è evoluto per capire il mondo ma, come i sistemi nervosi di tutti gli altri animali, per permetterci di elaborare strategie per sopravvivere, trovando da nutrirci ed evitando i predatori, e per riprodurci, trovando partner adatti. È vero che comprendere come funziona il nostro ambiente circostante è molto utile per elaborare strategie sufficientemente elastiche da permetterci di adattarci in fretta a un ambiente fisico e sociale variegato e mutevole. In questo il nostro cervello è un organo perfettamente funzionante. Ciò spiega il successo della nostra mente nell’ elaborare sistemi di conoscenza naturalistici (geografia, geologia, climatologia, chimica, biologia, ecc.) e sociologici, che sono comuni e paragonabili nelle disparate società umane e che si sono rivelate di grande efficacia nel supportare l’ attività produttiva degli umani e nel promuovere la nascita e il successo delle società umane nel loro ambiente e della nostra specie a livello planetario. Ma quando si supera questa soglia e si arriva a riflettere e indagare su aspetti più astratti come la cosmologia, la fisica delle particelle, i principi della logica e della matematica, la natura della coscienza umana, ecc. i limiti delle nostre capacità mentali diventano evidenti.

Note

∗ Un interferometro è un apparecchio che permette di suddividere in due parti l’ onda corrispondente a una particella in movimento e ricondurre poi i due bracci in un punto a creare il fenomeno dell’ interferenza

Jim Al-Khalili. Quantum: a guide for the perplexed. Weidenfeld&Nicolson, London 2003

David Lindley. La luna di Einstein. Longanesi, Milano 1997

Commenti»

1. Paolo - 14 Luglio 2011

E se il mondo che ci circonda sia una sorta di rappresentazione “teatrale” ..? Il fatto che una particella muti radicalmente il modo di presentarsi a seconda del tipo di osservatore starebbe a suggerire che l’osservatore è parte integrante del sistema che esso stesso osserva e come tale… lo modifica nell’atto dell’osservazione stessa. la meccanica quantistica è una grande scoperta della scienza moderna “post deterministica” ma l’impressione è che sia solo una “migliore approssimazione” della precedente nella ricerca della legge unica universale tra elettromagnetismo e gravità !
Inutile.. il Creatore non si lascia acchiappare così facilmente ….
Paolo

2. admin - 9 Novembre 2011

… o forse molto più semplicemente e verosimilmente non esiste alcun creatore