Gli elettroni giocano a dadi – La nuova concezione di natura della meccanica quantistica

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TiConZero, rubrica di astrofisica a cura di Costantino Pacilio

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La teoria della meccanica quantistica ha cambiato radicalmente il rapporto tra le parole e le cose, cioè il modo in cui intendiamo la conoscenza della Natura. Forse, quando lanciamo una monetina, le cose non stanno proprio come pensiamo.

 “All’inizio gli studiosi di filosofia naturale cercarono di capire il mondo che li circondava. In questo sforzo si imbatterono nella grande idea di escogitare situazioni artificialmente semplici in cui il numero di fattori coinvolti fosse ridotto al minimo. Divide et impera. Era nata la scienza sperimentale. Ma l’esperimento è un mezzo. Lo scopo rimane quello di capire il mondo.”

Come funziona il mondo? È una domanda profonda e difficile, però non è che non abbiamo proprio idea di come rispondere. Tanto per cominciare, le cose sono fatte di atomi e gli atomi sono fatti di particelle: protoni, elettroni, neutroni e fotoni. Ci sono anche molte altre particelle oltre a quelle che compongono gli atomi, ma alcune sono speciali, o meglio sono elementari (nel senso che non possono essere ulteriormente scomposte).

Ecco, uno dei modi di rispondere alla domanda su come funziona veramente il mondo, è vedere quali sono i meccanismi e le leggi che governano il comportamento delle particelle elementari. Queste leggi si basano sulla cosiddetta meccanica quantistica. Anche se questa sarebbe già una risposta interessante, le cose sono più complicate di così.

Il passo citato in apertura è tratto dallo scritto “Contro la misurazione” di John S. Bell, contenuto nella sua raccolta “Dicibile e indicibile in meccanica quantistica”. John S. Bell fu un fisico delle particelle, divenuto famoso per essersi interrogato in maniera molto critica sui fondamenti che stanno alla base della meccanica quantistica. Viene da chiedersi che cosa vi trovasse Bell di “indicibile” e in che senso si prese la briga di scrivere un testo contro la misurazione, cioè contro l’attività che sta alla base di tutta  la scienza sperimentale. Questo ci porterà molto lontano – o molto vicino, a seconda di come vi immaginate lo sforzo della chiarezza!

Vorrei anticipare, per stimolare la curiosità, che la meccanica quantistica ha un risvolto più profondo dell’essere semplicemente una teoria degli atomi e delle particelle elementari: ha cambiato in modo radicale il rapporto tra le parole e le cose, cioè il modo in cui intendiamo la conoscenza della Natura. È proprio di questo che vorrei parlare.

La grande scoperta della meccanica quantistica è che non ci è possibile guardare un elettrone, o qualunque altra particella, senza cambiarla. Se noi vogliamo vedere com’è fatto un elettrone, in che posizione si trova, a quale velocità si sta spostando e tutte le altre proprietà che ci viene in mente di misurare – se noi, insomma, vogliamo osservare questo elettrone com’è adesso veramente – non lo possiamo fare. Nel momento stesso in cui lo osserviamo, modifichiamo anche solo leggermente le sue proprietà, così che non possiamo sapere com’era prima che cominciassimo la misura.

Dov’è che finisce il mondo quantistico delle particelle e inizia quello delle cose di tutti i giorni? A ben guardare, non esiste alcun confine. Siamo tutti quantistici.

Apparentemente questa è un po’ la scoperta dell’acqua calda: è ovvio che quando misuriamo qualcosa dobbiamo maneggiarla o direttamente, o per mezzo di uno strumento, quindi non possiamo non alterarne le proprietà. Però, in qualche modo, noi possiamo assumere di maneggiarla con molta cautela, abbastanza leggermente da non pregiudicare una conoscenza oggettiva (cioè indipendente dalla misura). Tanto per dire, se guardiamo uno specchio non dubitiamo che la luce che impieghiamo non alteri l’immagine; se però volessimo illuminarlo con le radiazioni elettromagnetiche di una bomba atomica, lo distruggeremmo sicuramente.

Allo stesso modo noi potremmo pensare di interagire con l’elettrone molto debolmente: in fondo un elettrone è infinitamente più piccolo e quindi infinitamente più sensibile di uno specchio. Forse lo stiamo illuminando troppo? Possiamo illuminarlo sempre di meno, al limite possiamo illuminarlo con una singola particella di luce, un solo fotone! Ecco, la novità del modo di comportarsi delle particelle quantistiche è che esiste persino in questo caso un livello minimo di disturbo che non possiamo eliminare. Mai. In questo senso, quindi, la conoscenza “oggettiva” degli oggetti quantistici ci è preclusa e siamo costretti […]

LEGGI L’ARTICOLO COMPLETO SU L’OPINABILE N.2 – Il Poema della terra, Estate 2018

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