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Einstein le Definiva “Sinistre”

L'Enigma Quantico - Anteprima del libro di Bruce Rosenblum e Fred Kuttner

Un sabato degli anni 50'

«Ho riflettuto cento volte di più sul problema quantistico che sulla teoria della relatività generale».
-Albert Einstein

«Non posso credere seriamente nella [fisica quantistica] perché... la fisica dovrebbe rappresentare la realtà nel tempo e nello spazio, senza alcuna azione sinistra a distanza».
-Albert Einstein

Un sabato, negli anni Cinquanta, ero in visita a casa di alcuni amici. L’ospite chiese a me (Bruce) e a suo genero, Bill Bennett, se avessimo voglia di trascorrere la serata con un suo amico, Albert Einstein. Entro poche ore, due sbigottiti studenti laureati in fìsica si trovarono nel soggiorno di Einstein ad aspettare che il celebre scienziato scendesse le scale con indosso pantofole e felpa. Rammento di aver accettato un tè e dei biscotti, ma non ricordo assolutamente come iniziò la conversazione.

Einstein ci fece subito qualche domanda sul corso di fisica quantistica che stavamo frequentando. Approvò il fatto che il nostro professore avesse scelto di adottare il libro di David Bohm come testo di riferimento, e ci chiese cosa ne pensassimo del modo in cui l’autore trattava le stranezze che la teoria quantistica implicava. Non riuscimmo a rispondere. Ci avevano detto di saltare quella sezione e concentrarci su quella intitolata “La formulazione matematica della teoria ”. Einstein volle esplorare comunque il nostro punto di vista circa quello che l’accettazione della teoria significava. Ma i problemi che lo tormentavano erano per noi materia oscura. Le lezioni sulla fisica quantistica che frequentavamo si concentravano principalmente sull’utilizzo della teoria, non sul suo significato. Le nostre risposte all’interrogatorio probabilmente lo irritarono, e abbandonammo l’argomento per discutere d’altro.

Passarono molti anni, prima che comprendessi i dubbi di Einstein sulle misteriose implicazioni della teoria dei quanti. Non sapevo che nel 1935 aveva stupito gli sviluppatori della teoria facendo notare loro che, secondo la teoria stessa, l’osservazione influenzava istantaneamente ciò che succedeva a distanza senza coinvolgere alcuna forza fisica. Aveva deriso tale influenza etichettandola come “azione sinistra” che non poteva davvero esistere.

Un altro aspetto che disturbava Einstein era l’idea che, sempre secondo la teoria, quando si osservava un piccolo oggetto, come per esempio un atomo, in un determinato punto nello spazio, era Xatto di osservare in sé la causa del suo trovarsi proprio lì. Lo stesso vale per gli oggetti più grandi? In linea di principio, sì. Per ridicolizzare la teoria quantistica, Einstein aveva una volta chiesto a un fisico suo collega, scherzando solo in parte, se riteneva che la luna fosse al suo posto soltanto quando la guardava. Secondo Einstein, prendere seriamente la teoria quantistica significava negare l’esistenza di un mondo fisico reale indipendente dall’osservazione. E un’accusa pesante. La teoria quantistica non è solo una delle tante teorie della fisica, è la struttura portante sulla quale si basa in definitiva tutta la fisica.

Il nostro libro si concentra sulle implicazioni misteriose della teoria quantistica che disturbavano Einstein, dalla definizione iniziale dei quanti che aveva dato nel 1905 fino alla sua morte, avvenuta cinquant’anni dopo. Tuttavia, per moltissimi anni dopo quella serata trascorsa a casa sua, non mi preoccupai quasi mai di quella bizzarria dei quanti che i fisici chiamano “problema della misurazione”. Da studente, il problema principale che mi ponevo riguardava il “dualismo onda-particella”. Si tratta del paradosso per il quale, adottando un determinato punto di vista, era possibile dimostrare che l’atomo fosse un oggetto compatto concentrato in un punto. Tuttavia, osservandolo da un’altra prospettiva, era possibile dimostrare esattamente l’opposto. Era possibile dimostrare che l’atomo non era un oggetto compatto, bensì un’onda diffusa in una regione più ampia. Quella contraddizione mi lasciava perplesso, ma ritenevo che, se avessi trascorso qualche ora a rifletterci sopra seriamente, sarei riuscito a comprenderla chiaramente (come sembravano aver fatto i miei professori). Ma, da studente, c’erano cose più urgenti cui mi dovevo dedicare. La mia tesi di dottorato includeva un sacco di fisica quantistica, ma, come molti fisici, le implicazioni più profonde della teoria, che allora non mi rendevo conto fossero ben più profonde del mero “dualismo onda-particella”, non mi preoccupavano molto.

Dopo dieci anni trascorsi a lavorare nel campo della ricerca sulla fisica industriale e della gestione dello sviluppo, mi unii al corpo docente dell’Università della California, nella sede di Santa Cruz (UCSC). Dopo aver preparato un corso di fisica per studenti delle discipline umanistiche, i misteri della meccanica quantistica ricominciarono a intrigarmi. Poi, durante un congresso sui fondamenti della meccanica quantistica della durata di una settimana che si tenne in Italia, mi lasciai catturare definitivamente da ciò che quella sera di tanti anni prima a Princeton non ero stato ancora pronto ad affrontare.

Quando conobbi la fisica quantistica durante il primo anno al MIT, io (Fred) scrissi l’equazione di Schròdinger occupando un intera pagina del mio blocchetto per gli appunti. Lidea che quella formula governasse ogni cosa nell’universo mi eccitava tantissimo. Successivamente mi arrovellai sull’asserzione quantistica secondo la quale il polo nord di un atomo può puntare in diverse direzioni allo stesso tempo. Riflettei sul problema per un bel po’, poi mi arresi pensando che l’avrei compreso meglio dopo aver imparato di più.

Per la discussione della tesi di dottorato preparai un’analisi quantistica dei sistemi magnetici. Usare la fisica quantistica era diventato per me abbastanza facile, ma non avevo tempo per pensare a ciò che significava. Ero troppo occupato ad accumulare pubblicazioni e terminare il dottorato. Dopo aver lavorato per qualche azienda che si occupava d’alta tecnologia, entrai a far parte del corpo docente del dipartimento di fisica dell’UCSC.

Quando entrambi iniziammo a esplorare il confine in cui la fisica incontra la filosofia speculativa, i nostri colleghi rimasero sorpresi. Le aree in cui avevamo condotto le nostre ricerche precedenti erano abbastanza convenzionali, addirittura pratiche.

Lo scheletro nell'armadio della fisica

La meccanica quantistica e incredibilmente apprezzata. Nessuna previsione elaborata dalla teoria si è mai dimostrata errata. Un terzo della nostra economia dipende da prodotti che si basano su di essa. Tuttavia, la concezione del mondo che deriva dalla teoria quantistica non è solo molto più strana di quanto immaginiamo, è addirittura più strana di quanto siamo in grado di supporre. Scopriamo perché.

Molti di noi condividono le seguenti intuizioni basate sul buonsenso: un singolo oggetto non può trovarsi in due luoghi distanti contemporaneamente; e, chiaramente, quello che una persona decide di fare non può immediatamente influenzare ciò che succede in un luogo lontano. E non diamo forse per scontato che la fuori esista un mondo reale, sia che lo si osservi o meno? La meccanica quantistica mette in dubbio ognuna di queste intuizioni. J.M. Jauch afferma che «per molti fisici ponderati, [il significato profondo della meccanica quantistica; N.d.A.] è sempre rimasto una specie di scheletro nell’armadio».

Abbiamo iniziato il discorso parlando dei fastidiosi dubbi sulla teoria dei quanti che crucciavano Einstein. Ma cos’è la teoria quantistica? La teoria quantistica e stata sviluppata all inizio del XX secolo per spiegare le meccaniche, ossia i meccanismi, che governano il comportamento degli atomi. In precedenza si era scoperto che l'energia di un oggetto poteva variare solo in modo discontinuo e per intervalli molto piccoli detti quanti (singolare quanto), ed è da ciò che deriva il nome “meccanica quantistica”. La “meccanica quantistica” comprende sia le osservazioni sperimentali che la teoria quantistica che le spiega.

La teoria quantistica è alla base di ogni scienza naturale, dalla chimica alla cosmologia. Ci serve per capire perché il sole splende, in che modo la televisione produce immagini, perché l’erba è verde e come l’universo si è espanso a partire dal Big Bang. La tecnologia moderna si basa su strumenti progettati con la teoria quantistica.

La fisica pre-quantistica, chiamata anche “meccanica classica”, “fisica classica” o, meno di frequente, “fisica newtoniana”, costituisce solitamente un’eccellente approssimazione per spiegare il comportamento dei corpi molto più grandi delle molecole, ed è in linea di massima molto più facile da applicare rispetto alla teoria dei quanti. Si tratta, tuttavia, di un’approssimazione. Non funziona assolutamente per descrivere gli atomi di cui ogni cosa si compone. Nonostante ciò, la fisica classica è fondamentale per il nostro buonsenso comune, per la nostra concezione newtoniana della realtà. Ma ora sappiamo che la concezione classica della realtà è fondamentalmente viziata.

Fin dall’antichità, i filosofi hanno elaborato speculazioni esoteriche sulla natura della realtà fisica. Prima della meccanica quantistica, chiunque aveva a disposizione l’opzione logica di rifiutare tali elucubrazioni e aderire a una visione del mondo basata su concretezza e buonsenso. Oggi, gli esperimenti quantistici negano l’esistenza di una realtà fisica basata sul senso comune. Il rifiuto non è più un’opzione logica.

Una concezione del mondo suggerita dalla meccanica quantistica può risultare rilevante anche al di fuori della scienza? Pensiamo a scoperte precedenti che hanno avuto un impatto analogo, come per esempio l’intuizione di Copernico che la Terra non fosse al centro del cosmo o la teoria di Darwin sull’evoluzione. L’importanza della meccanica quantistica è, in un certo senso, più immediata rispetto alle idee copernicane o darwiniste, che si occupano di cose molto lontane o molto antiche. La teoria dei quanti parla del qui e ora. Arriva addirittura a incontrare l’essenza dell’umanità, la nostra coscienza.

Ma allora perché la meccanica quantistica non ha avuto l’impatto intellettuale e sociale delle scoperte precedenti di eguale importanza? Forse perché queste ultime sono più facili da comprendere. Di sicuro sono molto più facili da accettare. È possibile riassumere grosso modo le implicazioni delle teorie di Copernico o Darwin in poche righe. A una mente moderna, appaiono quantomeno ragionevoli. Ma, se si provano a riassumere le implicazioni della teoria quantistica, quel che si ottiene suona abbastanza mistico.

Assumiamoci comunque il rischio di un breve riassunto. La teoria quantistica ci dice che l’osservazione di un oggetto può influenzare istantaneamente il comportamento di un altro oggetto molto distante, anche se non cè alcuna forza fisica che li collega. Sono queste le influenze che Einstein rifiutava definendole “azioni sinistre”, ma ora è stato dimostrato che esistono. La teoria quantistica ci dice anche che un oggetto può trovarsi in due luoghi contemporaneamente. La sua esistenza nel punto particolare in cui si trova diventa reale solo come conseguenza dell’osservazione. La teoria quantistica nega quindi l’esistenza di una realtà fisica indipendente dalla sua osservazione (scopriremo che quello di “osservazione” è un concetto problematico e controverso).

I fenomeni quantistici possono essere dimostrati direttamente in tutta la loro stranezza solo nel caso degli oggetti piccoli. La fisica classica descrive il comportamento ragionevole degli oggetti grandi con un’approssimazione estremamente buona. Ma gli oggetti grandi sono fatti di oggetti più piccoli. Di conseguenza, la fisica classica non può funzionare come visione del mondo.

La fisica classica spiega il mondo abbastanza bene, sono soltanto i “dettagli” che sfuggono alle sue leggi. La fisica quantistica descrive i “dettagli” alla perfezione, è soltanto il mondo che non riesce a spiegare. Potete capire perché Einstein fosse così preoccupato.

Erwin Schròdinger, uno dei fondatori della moderna teoria quantistica, elaborò la celebre storia del gatto per sottolineare il fatto che la teoria dei quanti afferma qualcosa di “assurdo”. Il gatto di Schròdinger, quando non viene osservato, è simultaneamente sia morto che vivo finché l’osservazione non fa sì che sia morto o vivo. Ed ecco un particolare ancor più difficile da accettare: è lo scoprire il gatto morto a creare la storia del sopraggiungere del rigor mortis, mentre è lo scoprire il gatto vivo a creare la storia del sopraggiungere della fame. E un’azione indietro nel tempo.

L’enigma posto dalla teoria quantistica ha tormentato i fisici per ottant’anni. Forse, le competenze specifiche e il talento di noi fisici non bastano a qualificarci esclusivamente per comprenderlo, ed è per questo che dovremmo affrontare il problema con grande modestia, anche se ci risulta difficile.

Sorprendentemente, l’enigma quantistico può essere presentato in modo essenzialmente conclamato anche senza richiedere una conoscenza approfondita della fisica. E possibile che qualcuno che non è stato condizionato da anni di studio volto all 'utilizzo della teoria quantistica abbia una nuova intuizione? In fondo è stato un bambino ad accorgersi che l’imperatore era nudo.

Questo testo è estrato dal libro "L'Enigma Quantico".

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