La fisica e la filosofia

La fisica e la filosofia

Introduzione

Nell'antica Grecia Platone esponeva in lunghi dialoghi con i discepoli il metodo con cui tentava di giungere alla realtà. Oggi numerosi fisici procedono in maniera piuttosto diversa. Circondati da allievi, questi passano ore ed ore chini su un grande tavolo di metallo tentando di allineare un laser con una complessa rete di specchi, lenti, divisori di fascio e fotorivelatori.

Tuttavia i problemi che essi affrontano nel loro laboratorio ingombro di apparecchiature non sono meno profondi di quelli su cui rifletteva Platone per le vie di Atene. Quali sono i limiti della conoscenza umana? Il mondo fisico è, in un certo senso, modellato dalla percezione che ne abbiamo? C'è nell'universo un elemento di casualità oppure tutti gli eventi sono predeterminati?

La fisica nell'Ottocento

Alla fine del XIX secolo la fisica classica basata sulla meccanica newtoniana sembrava la teoria definitiva per la spiegazione del comportamento della natura.

I successi da essa conseguiti portarono i fisici a pensare che la fisica classica potesse essere in grado di spiegare tutti i fenomeni naturali; e le altre scienze tentarono di adeguarsi al modello della meccanica newtoniana per lo studio dei fenomeni di loro pertinenza.

Così, alla fine del XIX secolo la meccanica newtoniana dominava la scienza.

I movimenti filosofici: rapporti con la scienza

Nei secoli XVIII e XIX, con l'avvento di movimenti filosofici come l'illuminismo ed il positivismo, si diffuse la tendenza a credere solo a ciò che è deducibile dai fatti realmente osservati dall'uomo e dimostrabili dalla sua ragione.

Si diffuse così la convinzione che anche l'uomo stesso non fosse altro che una macchina biologica o un robot di carne nato per caso nell'universo 'materiale e meccanico'.

Nella seconda metà del XIX secolo, Darwin propose la sua nota teoria dell'evoluzione biologica. Secondo questa teoria l'uomo non è stato creato direttamente da Dio ma è il frutto di un'evoluzione biologica attraverso varie specie.

Tale teoria costituì un ulteriore elemento a sostegno della concezione per cui l'uomo non è altro che una macchina biologica nata per caso nell'universo materiale e per cui l'esistenza di un Dio ( e di un 'mondo spirituale' ) è del tutto superflua.

Mach ed il neopositivismo Alla fine del XIX secolo Mach, filosofo e fisico, riprese e sviluppò i temi del positivismo dando origine al neopositivismo, una nuova corrente filosofica.

Mach introdusse il concetto di 'economicità della scienza' , secondo il quale la scienza deve limitarsi a studiare i rapporti tra i fenomeni, senza aggiungere nulla di più di quanto sia necessario. Egli esortò gli scienziati ad abolire dalle loro teorie tutte le descrizioni, le immagini ed i concetti superflui, non confermati dall'osservatore.

Alla fine del secolo la fisica classica costituiva un sistema chiuso e coerente capace di spiegare quasi tutti i fenomeni fisici fino ad allora noti.

Tuttavia vi erano ancora numerosi problemi irrisolti che la fisica classica non riusciva a spiegare; la meccanica quantistica li risolverà.

Thompson e la scoperta dell'elettrone

Nel 1897 si ebbe un'importante scoperta. Thompson scoprì l'elettrone, un particella carica che normalmente è contenuta negli atomi ma che sotto particolari condizioni può sfuggire.

Sfruttando un tubo a raggi catodici, che emetteva elettroni, e applicando un campo magnetico ed un campo elettrico, riuscì a calcolare il rapporto tra la carica e la massa di una particella elettricamente carica chiamata successivamente elettrone.

E' passato più di un secolo da questa scoperta e da quando Planck ipotizzò che la radiazione elettromagnetica viaggiasse ordinatamente in pacchetti di energia detti quanti.

Le bizzarrie della nuova meccanica : lo spazio ed il tempo

Albert Einstein sostenne che sotto le bizzarrie della meccanica quantistica dovesse celarsi una teoria più precisa e deterministica. Prima di procedere vediamo in cosa consistevano queste bizzarrie.

Anzitutto lo spazio ed il tempo, che nella fisica classica sono due entità assolute ed indipendenti, nell'ambito relativistico vengono a fondersi in un'unica entità, detta spazio-tempo.

Le caratteristiche di assolutezza che questi avevano nella meccanica newtoniana, vengono adesso assunte dallo spazio-tempo, mentre le loro componenti separate divengono relative e dipendono dal sistema di riferimento in cui i fenomeni vengono osservati.

Pertanto, in diversi sistemi le lunghezze risultano diverse ed il tempo scorre in maniera diversa: due eventi simultanei in un sistema possono non esserlo in un altro.

Lo spazio ed il tempo assumono valori diversi a seconda del sistema di riferimento in quanto essi non sono entità distinte come li consideriamo noi ma sono 'indissolubilmente legati', e ciò che rimane uguale in ogni sistema è lo spazio-tempo nel suo insieme.

Va sottolineato comunque che la teoria della relatività non esclude certamente un'analisi dell'evoluzione temporale dei fenomeni, in funzione del tempo in un dato sistema di riferimento.

Einstein e Kant

Lo spazio e il tempo, dunque non vanno considerati entità distinte ed indipendenti, ma risultano fusi in un'unica entità detto spazio-tempo.

Il filosofo Kant nella 'Critica della ragion pura', nella parte dell' Estetica trascendentale, distinse due 'forme soggettive a priori della conoscenza sensibile', ovvero le 'intuizioni pure' di spazio e tempo.

Lo spazio è quella 'rappresentazione a priori, necessaria che sta a fondamento di tutte le intuizioni esterne'.

Il tempo invece quella rappresentazione a priori che sta a fondamento dei nostri stati interni e del loro disporsi l'uno dopo l'altro, ovvero secondo un ordine di successione.

In altre parole affermò che la nostra intuizione percepisce i fenomeni in termini di due forme soggettive distinte.

La relatività di Einstein conferma questa teoria; infatti Kant aveva sostenuto che spazio e tempo sono distinti dalla nostra intuizione, e non che sono realmente distinti in natura.

La relatività generale e la sua interpretazione

Così come lo spazio ed il tempo, altre grandezze fisiche che in fisica classica risultano distinte, nella relatività vengono a 'fondersi': è il caso per esempio della quantità di moto e dell'energia, superato dalla famosissima formula E=mc².

Oltre alla teoria della relatività ristretta, Einstein propose un'altra teoria che viene generalmente considerata il capolavoro di Einstein: si tratta della teoria della relatività generale. Questa riduce la fisica della gravitazione alla geometria dello spazio-tempo, che è diversa dalla semplice geometria dello spazio, cui siamo abituati.

Il fatto notevole è che la curvatura dello spazio-tempo, che regola le leggi del moto degli oggetti stessi in esso contenuti, è determinata da questi oggetti stessi. Essa infatti è determinata dall'intensità del campo gravitazionale generato dalle masse contenute nello spazio-tempo.

Viene così superato il concetto classico di spazio e tempo assoluti ed indipendenti dagli oggetti in essi contenuti.

Se la relatività ristretta ha unito spazio e tempo in un'unica entità, la relatività generale ha evidenziato che la curvatura dello spazio-tempo viene modificata dal campo gravitazionale, per cui costituisce un'entità elastica che può contrarsi, espandersi e modificarsi.

Un esempio è l'origine dall' universo. Il big bang non è una semplice esplosione di materia ed energia, inizialmente raccolte in uno spazio ristretto, che hanno poi cominciato a riempire lo spazio vuoto circostante. L'esplosione non è avvenuta nello spazio, ma ha coinvolto lo spazio stesso. Le galassie non si allontanano l'una dall'altra attraverso lo spazio vuoto, ma è lo spazio stesso che aumenta di dimensioni, in modo tale da allungare le distanze.

Gli errori di interpretazione della relatività

Va sottolineato che la teoria della relatività non rappresenta una prova a sostegno delle teorie relativistiche filosofiche.

Alcune persone credono che il messaggio filosofico di questa teoria alla fine non sia altro che un banale 'tutto è relativo'. Questo non è vero; il relativismo filosofico dei sofisti e degli scettici ( che sostenevano che non esiste una verità assoluta ma che ogni verità è relativa ) non ha nulla a che fare con questa teoria.

Anzi, confuta questo poiché individua: la validità assoluta delle leggi fisiche indipendentemente dall'osservatore; una grandezza fisica assoluta ( la velocità c della luce ); altre grandezze fisiche che rimangono invariate nonostante la relatività dell'osservatore.

In altre parole la caratteristica di assoluto passa ad altre entità fisiche più importanti ed alla base della fisica moderna.

La meccanica quantistica

Sulla base della supposizione di Planck in apparenza inconsistente, e delle nuove teorie di Einstein, gli scienziati edificarono quella che è la teoria più riuscita della scienza. Oltre a fornire una teoria per le forze fondamentali della natura, fatta eccezione per la gravità, la meccanica quantistica ha spiegato una vasta gamma di fenomeni. Grazie ad essa si sono sviluppate anche numerose innovazioni tecnologiche.

Le conseguenze della meccanica quantistica

Nondimeno la teoria quantistica comporta conseguenze molto fastidiose.

Innanzitutto ha frantumato le nozioni tradizionali di casualità. L'equazione formulate nel 1926 da Schrödinger per descrivere il dispiegarsi degli eventi quantistici non garantisce certezze, al contrario della meccanica newtoniana, ma offre soltanto una distribuzione di probabilità. Il principio di Heisenberg dimostrò poi che la conoscenza che possiamo avere della natura è intrinsecamente limitata: appena ne afferriamo un brandello, un altro ci sfugge tra le dita.

L'atomo di Bohr

Successivamente i più strenui sostenitori della meccanica quantistica, come Bohr, diedero una strana concezione della realtà.

L'ipotesi di Bohr non era altro che una nuova versione della quantizzazione usata da Planck e da Einstein.

Egli ipotizzò che nell'atomo fossero consentite soltanto alcune orbite dell'elettrone. Pensò che potessero esistere soltanto quelle orbite per cui l'azione è uguale ad un multiplo intero della costante di Planck h ( il quanto ). In parole povere, le orbite dell'atomo sono quantizzate cioè non vi possono esistere tutte le orbite permesse dalla meccanica newtoniana, ma soltanto alcune, caratterizzate da un numero intero.

Un altro fatto molto importante è che quando un elettrone si trova in un livello superiore, tende a passare spontaneamente ad un livello più basso, emettendo corrispondentemente un'onda elettromagnetica dell'opportuna energia.

Le evoluzioni della fisica

Nell'ultimo decennio in numero crescente gli scienziati hanno sondato le implicazioni della meccanica quantistica.

Nuove tecnologie hanno consentito di realizzare esperimenti che Einstein e Bohr potevano solo immaginare. Questi risultati hanno a loro volta spinto i teorici a ideare verifiche ancora più bizzarre.

Lo scopo di queste ricerche sulla verità quantistica non è solo quello di costruire sistemi di comunicazione o calcolatori più potenti ma anche quello di svelare la curiosa realtà del mondo quantistico.

Nuovi problemi da risolvere

Finora gli esperimenti hanno confermato le previsioni di Einstein.

Le particelle e talvolta persino gli atomi si comportano come onde a volte come particelle, ma in effetti non hanno una forma definitiva finché non vengono misurati.

Una volta fatte, però, possono essere anche cancellate; la misurazione di un'entità quantistica può influire, infatti, su un altro sistema quantistico anche lontanissimo.

Questo comportamento può presentarsi anche in oggetti abbastanza grandi da essere visti ad occhio nudo.

Queste scoperte hanno fatto rinascere l'interesse per le interpretazioni della meccanica quantistica, che dovrebbero procurare una struttura sensata.

Le interpretazioni attuali, invece, appaiono tutt'altro che sensate: alcune chiamano in causa moltitudini di universi, altre postulano una logica che permette la verità a due proposizioni contraddittorie.

Le radici di questo dualismo risiedono nel dualismo onda-corpuscolo.

Il dualismo onda-corpuscolo

Fu Newton a ipotizzare che la luce fosse composta di corpuscoli, ma ai primi dell'Ottocento un esperimento convinse tutti gli scienziati che il fenomeno fosse essenzialmente ondulatorio. Esperimenti più recenti hanno indicato però che anche Newton aveva ragione.

Nel 1923 fu scoperto l'effetto Compton che rappresentò un'ulteriore conferma delle teorie di Einstein: la luce oltre a comportarsi come onde, rivela anche un comportamento corpuscolare.

Per verificare questo basta ripetere l'esperimento

Esperimento sulla natura delle particelle

Prendiamo una sorgente che invia particelle su uno schermo ( per esempio, nel caso classico una mitragliatrice ). Sullo schermo vi sono due fori circolari posti ad una certa distanza tra loro, attraverso i quali le particelle possono passare al di là dello schermo.

Dietro questo primo schermo 'forato' ( che chiameremo maschera ) a breve distanza c'è un secondo schermo privo di fori ( che chiamiamo bersaglio ).

Dopo aver sparato le particelle verso il primo schermo ( la maschera ), potremo poi verificare sul secondo ( il bersaglio ) quali particelle sono passate dai due fori della maschera: se per esempio come particelle usiamo dei proiettili, ed il bersaglio è di legno, potremo vedere piantati su di esso i proiettili passati attraverso i due fori della maschera.

Compiamo allora l'esperimento nel caso classico, cioè con oggetti macroscopici comuni: utilizziamo dei proiettili sparati da una mitragliatrice, e vediamo che cosa succede sul bersaglio.

Otterremo due macchie tonde formate da un insieme di proiettili, e che saranno semplicemente la proiezione sul bersaglio dei due fori della maschera.

Tutte le altre zone del bersaglio non verranno raggiunte da proiettili in quanto risulteranno 'coperte' dalla maschera.

Ripetiamo adesso l'esperimento, sempre nel caso classico, ma usando delle onde al posto dei proiettili. Otterremo un risultato completamente diverso.

Infatti le onde, passando attraverso i due fori della maschera, creano un tipico fenomeno ondulatorio detto interferenza. A causa di questo, sul bersaglio si otterrà una figura di interferenza.

Questo è un fenomeno del tutto normale per le onde, e perfettamente spiegabile in termini di fisica classica. Il fatto notevole è che se tappiamo uno dei due fori, lasciando aperto l'altro, e ripetiamo l'esperimento, sul bersaglio si avrà una macchia simile ad una delle due macchie prodotte nel caso della mitragliatrice,cioè una figura completamente diversa da quella di interferenza.

Interpretazione dell'esperimento

In realtà ciascuna particella andrà in un solo punto del bersaglio ( comportandosi proprio come una particella ), ma la distribuzione statistica dei punti darà una figura di interferenza.

La particella mostra di essere anche un'onda.

A livello quantistico quindi la differenza tra onda e particella svanisce del tutto, ed entrambe sono 'una stessa stravagante entità con ambo le proprietà: l'onda/particella'.

Il dualismo onda-corpuscolo è ancora più sconcertante di quanto si possa pensare. I fenomeni quantistici non sono né onde né particelle, ma sono 'intrinsecamente indefiniti' fino all'istante in cui sono misurate.

L'onda probabilistica

La stravaganza quantistica sta nel fatto che, finché il rilevamento non è ancora avvenuto, l'elettrone si comporta come un'onda probabilistica. Nel momento in cui lo osserviamo invece è una particella. Ma non appena si cessa di osservarlo, torna a comportarsi come un'onda. Questo ci svela un messaggio interamente nuovo: la realtà è in parte creata dall'osservatore.

La teoria di Eddington

Eddington propose una teoria: si dice che un'entità quantistica non osservata si trova in una sovrapposizione coerente di tutti i possibili stati permessi dalla sua funzione d'onda.

Non appena un osservatore compie una misurazione capace di distinguere questi stati, la funzione d'onda 'collassa' e l'entità viene forzata in un unico stato.

Tuttavia anche questo linguaggio astratto contiene implicazioni equivoche. Una di queste è che le operazioni di misura richiedono un intervento fisico diretto.

I fisici spiegano il principio d'indeterminazione in questo modo: quando si misura la posizione di un'entità quantistica, non si può fare a meno di scaraventarla fuori dalla sua traiettoria, perdendo informazione della sua direzione e sulla sua fase, una posizione relativa delle creste e dei ventri.

L'esperimento mentale EPR

Dal 1983 Scully, sostiene che dovrebbe essere possibile ricavare informazioni sullo stato di un fenomeno quantistico, distruggendo in tal modo le sue proprietà ondulatorie, per poi ripristinarle cancellando le informazioni. Diversi gruppi di ricercatori sostengono di averla dimostrata.

Tuttavia questa non regge il confronto con la 'non località'. Questa bizzarra proprietà quantistica fu proposta già nel 1935 da Einstein, Podolski e Rosen in forma di paradosso, grazie ad un esperimento ideale con cui intendevano dimostrare che la meccanica quantistica conteneva difetti irrimediabili.

Che cosa succederebbe se una particella formata da due protoni si distruggesse spedendo i protoni in direzioni opposte?

Secondo la meccanica quantistica, finché i due protoni non vengono osservati, le loro proprietà restano indefinite, in una sovrapposizione di tutti gli stati possibili: ciascun protone si sposta in tutte le direzioni possibili.

Vista la loro origine comune, le proprietà dei due protoni sono strettamente correlate fra di loro. Per esempio, il principio di conservazione della quantità di moto ci dice che se un protone si dirige verso nord, l'altro dev'essere diretto verso sud.

Quindi misurando la quantità di moto di uno dei due protoni, quella dell'altro viene determinata all'istante, anche se è già giunto dall'altro capo dell'universo.

Einstein sosteneva che questa azione a distanza era incompatibile con qualsiasi modello realistico del mondo: tutte le proprietà di ciascun protone devono già essere fissate all'istante della loro separazione.

Il gatto di Schrödinger

Un esperimento condotta da Schrödinger nel 1935 ci può chiarire un pò le idee. In una versione semplificata da Bell, un gatto viene rinchiuso in una stanza contenente un frammento di materiale radioattivo, che ha una probabilità del 50 % di emettere una particella in un'ora.

Quando la particella viene emessa, fa scattare un contatore che fa versare del latte in una ciotola.

Per il senso comune, il gatto non può avere lo stomaco pieno e insieme vuoto. Invece secondo la meccanica quantistica dopo un'ora, se nessuno ha guardato nella stanza, il frammento radioattivo e quindi il gatto, si trovano in una 'sovrapposizione di stati indistinguibili'.

Purtroppo nessuno degli esperimenti più recenti, effettuati o proposti, ha portato a un accordo sul significato preciso della meccanica quantistica.

Le critiche a Copenaghen

La prima critica fu posta da Einstein, ancora condizionato dalla visione classica del mondo. Egli sosteneva che dietro al formalismo della nuova teoria dovesse esistere una realtà oggettiva e deterministica descritta da una regola, caratterizzata da grandezze fisiche determinate dette 'variabili nascoste'.

In poche parole la meccanica quantistica sarebbe stata, secondo Einstein, una teoria parziale ed incompleta, accettabile momentaneamente, in attesa di giungere ad una teoria più completa.

Tuttavia noi siamo giunti ad un livello di conoscenza che elimina questa obiezione.

Una seconda critica, ma non per questo meno importante, fu posta da Schrödinger. Questo propose una concezione puramente ondulatoria, che prevede e spiega anche la fenomenologia corpuscolare.

La divisione del pensiero moderno.

A questo punto il pensiero dei fisici si divide. Da un lato, la maggior parte degli scienziati accetta l'interpretazione di Copenaghen. Dall'altro vi sono quegli scienziati che seguono Schrödinger e giungono a nuove concezioni della realtà. E' giusto ricordare che mentre i primi si definiscono scienziati, i secondi si devono considerare fisici-filosofi.

Bibliografia.



Libri consultati in parte:

Fabrizio Coppola 'Ipotesi sulla realtà' Lalli editore

George Gamow 'Biografia della fisica' Est mondadori

Paul T. Matthews 'Nel nucleo dell'atomo'Est mondadori

Leopold Infeld 'Albert Einstein' Einaudi



Articoli di riviste:

'Realismo classico e realtà quantistica'

Le scienze n°349

'Alle origini della fisica del XX secolo. la scoperta dell'elettrone'

Le Scienze n°351

'Vedere nel buio con la meccanica quantistica'

Le Scienze n°342

'Il principio di minima azione e il finalismo in meccanica'

Le Scienze n°346

'Il gatto di Schrödinger resuscita'

Le Scienze n°348

'Modelli a quark'

Le Scienze n°337

'La meccanica relativistica della seconda metà dell'800'

Le Scienze n°338



Siti di Internet:

pdg.lbl.gov/cpep/adventure.html

wwwpg.lnf.infn.it/ppcs

wwwpg.lnf.infn.it/particle/paitaliano