Implicazioni della Fisica Quantistica

Implicazioni della Fisica Quantistica

Le grandi rivoluzioni della scienza sono spesso seguite da sconvolgimenti in campo filosofico e sociale, dalle tesi di Copernico fino alle teorie di Einstein, che diedero un colpo definitivo ad un certo modo 'assolutistico' di intendere la scienza e la vita. Desta perciò notevole stupire che la più grande rivoluzione scientifica di tutti i tempi sia passata per lo più inosservata agli occhi del grosso pubblico. E questo non già perché le sue implicazioni abbiano scarso interesse, ma perché queste implicazioni sono talmente sconvolgenti da risultare quasi incredibili persino agli stessi scienziati che le concepirono. La rivoluzione di cui sto parlando è proprio la Teoria Quantistica o Meccanica Quantistica (MQ).

Nata come tentativo di spiegare la fisica delle particelle elementari, la Teoria Quantistica in seguito crebbe sino ad incorporare gran parte della microfisica e parte della macrofisica. Oggi fra alterne vicende può dirsi, almeno nella sua versione ortodossa, universalmente accettata. Sebbene attualmente nessuno dubiti della sua efficacia, ci sono ancora ampie schiere di studiosi che ne mettono in discussione le conseguenze, specie quando sono da applicarsi univocamente. Vediamo allora quali sono queste conseguenze:

Non esiste una realtà obbiettiva della materia, ma solo una realtà di volta in volta creata dalla presenza e dalle 'osservazioni' dell'uomo.

Non esiste un rapporto diretto tra causa ed effetto.

E' possibile, in determinate condizioni, che la materia possa comunicare a distanza istantaneamente o possa scaturire dal nulla.

Lo stato oggettivo della materia è caratterizzato da una sovrapposizione di più stati.

La conclusione più sconvolgente che si può trarre dalle conseguenze sopra elencate è senza dubbio quella che afferma che la realtà è solo tale se è presente l'uomo con le sue osservazioni. A differenza delle precedenti rivoluzioni scientifiche, le quali avevano confinato l'umanità ai margini dell'universo, la Teoria Quantistica riporta l'osservatore al centro della scena. Alcuni eminenti scienziati si sono spinti ad ipotizzare, uscendo dal loro proprio campo d'azione, che la Teoria dei Quanti abbia risolto l'enigma tra Mente e Materia, asserendo che l'introduzione nei processi di misura quantistica dell'osservazione umana è un passo fondamentale per il costruirsi della realtà. Questa idea portata alle estreme conseguenze implica che l'universo acquisisce esistenza concreta soltanto in conseguenza dell'essere percepito dall'uomo.

Un Grande Dibattito

Seppur fortemente avversata sin dal suo apparire (Einstein per manifestare la sua contrarietà arrivò a coniare la frase 'Dio non gioca a dadi') la MQ è oggi universalmente accettata. Ess. oltre spiegare processi a livello microscopico come la stabilità dell'atomo o processi macroscopici come la superconduttività, ha ottenuto recenti eclatanti conferme sperimentali: si pensi anche solo alla disuguaglianza di Bell. Ciononostante il grado di diffidenza nei confronti di questa materia, sempre in bilico tra Fisica e Metafisica, è rimasto alto. I suoi assunti, al limite dell'assurdo, mettono a dura prova le menti più aperte.

Anche nell'era dei computer superveloci, la Teoria Quantistica più che una scienza accettata si caratterizza per una scienza subita. E sono soprattutto gli studiosi di microfisica, i quali ogni giorno hanno a che fare con i suoi assunti filosofici e con il suo formalismo matematico, che più soffrono questo stato di cose. Recentemente però, una agguerrita schiera di fisici la cui punta di diamante è rappresentata dall'inglese S. Hawking, è riuscita a rovesciare la situazione volgendo a loro favore proprio quelle conseguenze che rendevano perplessi i fisici atomici. In questo contesto Hawking crea una vera e propria disciplina scientifica, la Cosmologia Quantistica (di cui parlerò ampiamente in seguito), attraverso la quale molti misteri dell'universo trovano una razionale spiegazione. E questo, come detto, partendo proprio dagli assunti quantistici più rivoluzionari. In questa nuova prospettiva trova coerente giustificazione la nascita dell'universo dal nulla.

La fisica dei quanti, in effetti, prevede che in determinate condizioni la materia possa scaturire dal nulla. Questa non è fantascienza, ma scienza nel senso più alto del termine. E qui tornano alla mente le profetiche parole di Werner Heisenberg, quando affermava: 'La più strana esperienza di quegli anni [1920-1930] fu che i paradossi della Teoria Quantistica non sparirono durante il processo di chiarificazione; al contrario, essi divennero ancora più marcati ed eccitanti'.

Una nuova interpretazione del principio quantistico denominato 'Probabilismo', ad esempio, cancella concezioni brutalmente deterministiche della realtà. Oppure una lettura a trecentosessanta gradi della disuguaglianza di Bell (che dimostra la possibilità di azioni a distanza) prova che l'universo non può essere più considerato come una mera collezione di oggetti, ma come una inseparabile rete di modelli di energia vibrante, nei quali nessun componente ha realtà indipendente dal tutto. La nascita dell'universo dal nulla e senza una precisa collocazione temporale apre scenari inaspettati. Hawking chiama questa origine del cosmo 'creazione senza creazione'. Occorre qui precisare che il fatto che non venga ipotizzata nessuna origine temporale non significa che l'universo debba avere un'età infinita. Il tempo in questo modello cosmologico risulta 'limitato' nel passato, ma come tale non ha un preciso confine. Il sorgere dell'universo diventa un evento casuale senza necessaria collocazione temporale e il tempo in sé non ha senso di applicarsi a tali istanti, dato che prima di essi non esisteva.

Ma se l'universo può essere considerato completamente autosufficiente, quale posto può essere riservato ad un'entità generatrice? Alla domanda, di primo impatto, potrebbe rispondersi 'nessuno', se non fosse per un semplice principio di 'autocoerenza fisica' e cioè che ogni processo fisico organizzato deve avere, a monte, delle leggi che lo governano. I processi quantistici, che fuori dal tempo e nello spazio vuoto permettono che si generi la materia, non possono prescindere da 'qualcosa' che regoli le loro stesse dinamiche.

Il Probabilismo e L'Acausalità

All'inizio del ventesimo secolo, i fisici ritenevano che tutti i processi dell'universo fossero perfettamente calcolabili purché si avessero a disposizione dati di partenza sufficientemente precisi. Questa filosofia deterministica aveva preso le mosse due secoli prima quando Newton, con la sua legge di gravitazione universale, era riuscito a descrivere le orbite dei pianeti. In un sol colpo lo scienziato inglese aveva dimostrato che una mela che cade da un albero e un corpo celeste che si muove nello spazio, sono governati dalla stessa legge : l'universo ticchettava come un gigantesco orologio perfettamente regolato.

Ma in concomitanza con la fine dell'epoca vittoriana, quella presuntuosa sicurezza svanì ; avvenne nel momento in cui i fisici tentarono di applicare quelle leggi meccanicistiche al comportamento del mondo atomico. In quel minuscolo regno, gli eventi non fluiscono armonicamente e gradualmente con il tempo, ma si modificano in modo brusco e discontinuo. Gli atomi riescono ad assorbire o liberare energia solo in forma di pacchetti discreti chiamati Quanti (da qui il termine Meccanica Quantistica). A questo livello la natura non funziona più come una macchina, ma come un gioco di probabilità. Nei primi decenni del nostro secolo lo scienziato danese Niels Bohr scoprì che le particelle atomiche si comportavano in modo molto meno prevedibile che non gli oggetti ordinari come le matite o le palle da tennis. Le parole 'sempre' e 'mai', di cui si faceva largo uso per i processi del mondo macroscopico, dovettero essere rimpiazzate dai termini 'spesso' e 'raramente'. Non si poteva dare più nulla per scontato.

Elementi come le orbite percorse dagli elettroni attorno al nucleo, non potevano più essere definite con precisione. Anche il 'quid' che ad un certo punto induceva l'atomo radioattivo alla disintegrazione doveva sottostare alle leggi della probabilità.

Il fisico italiano Franco Selleri nel suo libro 'La Causalità Impossibile' spiega bene la situazione e le conseguenze delle idee introdotte dalla Teoria dei Quanti. Egli scrive :

'Il problema che risulta molto naturale porsi è quello di capire le cause che determinano le differenti vite individuali dei neutroni [liberi]. Lo stesso problema si pone per ogni tipo di sistema instabile come atomi eccitati []. L'interpretazione di Copenaghen [quella della Meccanica Quantistica ortodossa] della teoria dei quanti non solo non fornisce alcuna conoscenza di queste cause, ma accetta esplicitamente una filosofia acausale secondo la quale ogni processo di disintegrazione di un sistema instabile ha una natura assolutamente spontanea che non ammette una spiegazione in termini causali. Secondo tale linea di pensiero il problema delle diverse vite individuali dei sistemi instabili dovrebbe necessariamente restare privo di risposta e dovrebbe anzi essere considerato un problema non scientifico'.

Il Principio di Indeterminazione e le Fluttuazioni nel Vuoto

Come detto, nel 1927 il fisico tedesco Werner Heisenberg scoprì che la natura probabilistica delle leggi della Meccanica Quantistica poneva grossi limiti al nostro grado di conoscenza di un sistema atomico. Normalmente ci si aspetta che lo stato di una microparticella in movimento (consideriamo ad esempio un elettrone in rotazione attorno al nucleo) sia caratterizzata completamente ricorrendo a due parametri : velocità e posizione. Heisenberg postulò invece, che a un certo livello queste quantità sarebbero dovute rimanere sempre indefinite. Tale limitazione prese il nome di Principio di Indeterminazione. Questo principio afferma che maggiore è l'accuratezza nel determinare la posizione di un particella, minore è la precisione con la quale si può accertarne la velocità e viceversa. Quando si pensa all'apparecchiatura necessaria per eseguire le misurazioni, questa indeterminazione risulta intuitiva. I dispositivi di rilevazione sono così grandi rispetto alle dimensioni di una particella che la misurazione di un parametro come la posizione è destinato a modificare anche la velocità. Occorre sottolineare però che le limitazioni in parola, non derivano (oggettivamente) solo dalla interazione tra mondo microscopico e mondo macroscopico, ma sono proprietà intrinseche della materia. In nessun senso si può ritenere che una microparticella possieda in un dato istante una posizione e una velocità. Queste sono, seguendo Heisenberg, caratteristiche incompatibili; quale delle due si manifesti con maggior precisione dipende solo dal tipo di misurazione che lo sperimentatore ('l'osservatore') decide di effettuare. E qui ci si imbatte nella più straordinaria novità introdotta dalla Fisica Quantistica ; ovvero la dipendenza della realtà obiettiva del mondo atomico (mondo che, non dimentichiamolo, è alla base di ogni cosa nell'universo) rispetto alle 'scelte' effettuate da colui che si trova davanti all'apparecchiatura di misura. Se lo sperimentatore decide di rilevare la posizione di una particella questa cesserà (letteralmente) di 'esistere' nella dimensione 'velocità' e viceversa. Per gli scienziati adusi a concepire l'universo oggettivo della materia indipendentemente dall'uomo, oppure abituati a calcolare contemporaneamente e con precisione millimetrica velocità e posizioni dei più disparati oggetti, queste nuove idee rappresentano una vera e propria rivoluzione.

Oltre alla posizione e alla velocità delle particelle, il Principio di Indeterminazione di Heisenberg pone limiti anche alla misura simultanea di parametri come l'energia e il tempo. Questo comporta che per periodi brevissimi la legge di conservazione dell'energia subisce una sospensione. Nel mondo di tutti i giorni, materia ed energia non si creano e non si distruggono cambiano solo di stato. La benzina non si materializza nei nostri serbatoi, e quando si brucia un litro di carburante si finisce per ottenere una quantità di 'potenza' e di scorie che equivalgono esattamente a un litro di benzina. Ma su scala atomica, le cose non vanno così. Il piccolissimo grado di indeterminazione esistente tra i vari livelli di energia e tempo, provoca (per intervalli brevissimi), fluttuazioni nell'energia del sistema. Per tempi che si aggirano intorno al miliardesimo di trilionesimo di secondo un elettrone ed il suo compagno di antimateria - il positrone - possono emergere improvvisamente dal nulla, congiungersi e quindi svanire. Questa è più di una semplice ipotesi; gli effetti di questi comportamenti spontanei di creazione e annullamento sono stati misurati in laboratorio in preciso accordo col Principio di Indeterminazione. E non si creda che la fugace vita di queste particelle non abbia senso o conduca a nulla. Durante la loro breve esistenza questi singolari enti possono compiere una bella dose di lavoro ; si pensi all'attrazione e alla repulsione elettrica, ai processi legati alle le varie forme di magnetismo, ecc.

Questi inusuali eventi subatomici diedero ai fisici una nuova prospettiva per comprendere lo spazio vuoto. Per Heinz Pagels della Rockfeller University, il vuoto assomiglia alla superficie dell'oceano : 'Immaginate di sorvolare l'oceano con un jet. Da quel punto di osservazione ottimale, la superficie sembra perfettamente uniforme e vuota. Ma voi sapete che se foste su una barca, vedreste enormi onde tutt'intorno. Così si comporta il vuoto. Su grandi distanze - ovvero le distanze che noi sperimentiamo come esseri umani - lo spazio ci appare completamente vuoto. Ma se potessimo analizzarlo da molto vicino vedremmo tutte le particelle quantistiche entrare e uscire dal nulla.

I fisici chiamano queste particelle 'fluttuazioni nel vuoto'. Il concetto sembra sfidare il buonsenso ma è perfettamente valido nell'ambito della Meccanica Quantistica. 'Non c'è punto più fondamentale di questo', ha scritto John Wheeler, 'lo spazio vuoto non è vuoto. In realtà è la regione dove avvengono i fenomeni fisici più violenti'.

La Disuguaglianza di Bell

La diseguaglianza di Bell è una formulazione moderna di un famoso paradosso escogitato dai fisici Einstein-Podolsky-Rosen per dimostrare che la meccanica quantistica non può essere considerata una teoria esatta o quantomeno completa. Sia il paradosso di Einstein e compagni (elaborato nel 1935) che la diseguaglianza di Bell (formulata nel 1965), non poterono essere testati sperimentalmente prima del 1982. Fu a partire da quell'anno infatti che Alain Aspect dell'Università di Parigi, approntò una serie di esperimenti i quali permisero di seguire l'evoluzione spazio-temporale di coppie di particelle emesse da un'unica sorgente e dirette verso rivelatori lontani.

Non è questa la sede per entrare in dettagli tecnici, qui basterà sottolineare che i risultati degli esperimenti del prof. Aspect provarono una notevolissima violazione della diseguaglianza di Bell e quindi indirettamente confermarono le tesi sostenute dai fisici quantistici.

La diseguaglianza di Bell (o per meglio dire la violazione della diseguaglianza di Bell) per le sue conseguenze in campo metafisico e filosofico, è diventata, negli anni, quasi un oggetto di culto. Per spiegare la diseguaglianza di Bell occorre partire dalla definizione fisica di 'localismo' o 'realismo locale' ; è infatti sulla convinzione che il localismo non possa essere in alcun modo violato che, prima Einstein-Podolsky-Rosen, poi Bell, fondano i loro teoremi.

Si ha 'localismo' quando due oggetti separati da grande distanza, esistono indipendentemente l'uno dall'altro, nel senso che l'azione compiuta su uno di essi non modifica in modo sensibile le proprietà oggettive dell'altro.

Ora, la fisica classica, così come la relatività einsteiniana, non contempla violazioni del 'realismo locale'; la meccanica quantistica invece, prevede ampie 'deroghe' alla possibilità di influenze a distanza. Al riguardo leggiamo quanto scritto, mezzo secolo fa, da Niels Bohr :

'Tra due particelle che si allontanano l'una dall'altra nello spazio, esiste una forma di azione-comunicazione permanente. [] Anche se due fotoni si trovassero su due diverse galassie continuerebbero pur sempre a rimanere un unico ente '

Questa 'azione-comunicazione' permanente tra le due microparticelle faceva infuriare Einstein. Chi non ricorda come uno degli assunti fondamentali delle sue teorie, oltre al localismo, preveda che nulla nell'universo possa viaggiare o comunicare a velocità superiore quella della luce. Nel caso della coppia di particelle emesse da un'unica sorgente dell'esperimento di Aspect, la comunicazione reciproca risulta addirittura istantanea.

Per le sue dirompenti conseguenze, la diseguaglianza di Bell, per giudizio unanime di fisici ed epistemologi, rappresenta una delle tappe più imbarazzanti nell'intera storia del pensiero scientifico.

L'Effetto Tunnel Quantistico

Una interessante conseguenza del Principio di Indeterminazione di Heisenberg è il cosiddetto Effetto Tunnel.

Classicamente una particella può oltrepassare un ostacolo (o una barriera di potenziale) soltanto se possiede sufficiente energia. In campo umano una situazione simile può essere immaginata pensando ad un atleta impegnato in un salto in alto. Se dopo adeguata rincorsa, il nostro sportivo sarà in grado di esprimere sufficiente energia, riuscirà ad oltrepassare l'asticella che fissa il limite superiore del salto, viceversa rovinerà contro di essa.

La situazione appena descritta non è vera in meccanica quantistica. Il piccolissimo grado di indeterminazione esistente tra i vari livelli di energia e tempo, si traduce in rapidissime fluttuazioni dei sistemi microfisici. Per tempi che si aggirano intorno al miliardesimo di trilionesimo di secondo, un gruppo di elettroni può prendere a prestito dal 'nulla' sufficiente energia e oltrepassare una barriera di potenziale altrimenti insuperabile. Il Principio di Indeterminazione vincola però la realizzazione di una tale transizione alla rapidissima restituzione dell'energia utilizzata nel prestito.

L'Effetto Tunnel quantistico ha validità universale ed è alla base di fenomeni quali il 'tunneling elettronico' e la radioattività. Il nucleo di un atomo è normalmente circondato da una altissima barriera che non permette ai neutroni e ai protoni di allontanarsi da esso. Nonostante ciò ( specialmente nei minerali di Uranio e Radio) in seguito all'Effetto Tunnel, gli inquilini del nucleo, possono 'scavarsi ampie gallerie' e lasciarsi alle spalle le barriere di potenziale rappresentate dall'attrazione nucleare, dando così vita al fenomeno della radioattività.