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28 marzo 2024

A nascondino con la Luna

Categoria: Scienze e tecnologie - Tags: meccanica quantistica

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Marco Zardetto | commenti |

In una non precisata notte dei primi anni '50 il fisico Abraham Pais camminava con Albert Einstein lungo la strada che conduceva all'abitazione di quest'ultimo. All'improvviso Einstein si fermò e disse al collega: "Veramente è convinto che la Luna esista solo se qualcuno la guarda?"


 


Questo aneddoto si inserisce perfettamente nell'immagine naif che moti di noi abbiamo in mente quando pensiamo al padre della Teoria della Relatività Generale: un genio solitario dai modi un po' eccentrici e magari strampalati. In questo caso però la riflessione di Einstain è molto profonda e riguarda l'essenza stessa della Natura e dell'interpretazione che noi diamo di essa.


 


Fin dall'antichità l'uomo si è interrogato sul suo ruolo di "osservatore" dell'Universo oscillando, con varie interpretazioni intermedie, fra due soluzioni estreme: le proprietà del mondo fisico sono oggettive ed intrinseche oppure dipendono dall'osservatore, fino al punto da negarne la stessa esistenza in assenza di un soggetto senziente.


Sebbene questo sia un interessante dibattito filosofico, la Scienza non ammette il soggettivismo: il metodo sperimentale prevede che una teoria scentifica, per esser tale, debba essere verificabile, controllabile da chiunque, in ogni momento e in ogni luogo.


Per secoli gli scienziati sono stati intimamente convinti che la realtà esista indipendentemente dalla presenza o meno dell'osservatore e inoltre che essa evolva secondo precise leggi deterministiche: se conosciamo la posizione e la velocità di un oggetto in un preciso istante di tempo e le leggi fisiche che ne governano il moto, possiamo stabilire con certezza posizione e velocità dell'oggetto in un altro istante qualsiasi, nel passato o nel futuro. Questo principio scolpito nella roccia iniziò apparentemente a sgretolarsi all'inizio del Novecento...


 


Nel momento in cui ci siamo spinti ad indagare il mondo microscopico (per intenderci, atomico e subatomico), siamo stati costretti ad accettare una nuova spiegazione della realtà perché la Fisica Classica (Meccanica, Termodinamica ed Elettromagnetismo) portava a conclusioni paradossali in palese contraddizione con le evidenze sperimentali. Nacque così la Meccanica Quantistica, proprio allo scopo di spiegare in modo corretto le leggi fisiche dominanti il mondo delle particelle elementari. Questa teoria, oltre ad essere un formalismo matematico non intuitivamente comprensibile, presuppone l'accettazione di principi che sono del tutto in contrasto con il determinismo e l'oggettività a cui siamo tanto (e, in linea di massima, giustamente) affezionati.


Esiste innanzitutto una regola fondamentale, il cosiddetto "principio di Heisenberg", che non permette di conoscere simultaneamente posizione e velocità esatte di una particella, dovendo riconoscere che la natura del mondo microscopico è governata da una certa indeterminazione. Gli scenziati erano già abituati ad introdurre considerazioni statistiche nello studio del mondo naturale (il comportamento di un gas può essere benissimo descritto nel suo insieme, misurando proprietà "medie" o "globali" delle innumerevoli particelle che lo compongono) ma per la prima volta non era una strategia adottata per superare enormi difficoltà di calcolo, bensì una necessità imposta dalla stessa Natura, di cui alcune leggi risultano intrinsecamente probabilistiche.


La seconda questione che rese (e rende) la Meccanica Quantistica poco "digeribile" deriva dalla cosiddetta "equazione d'onda di Schrödinger", formalismo matematico che caratterizza il moto di una particella elementare. Essa infatti, lungi dal descriverne il moto reale, permette di conoscere, ad esempio, la probabilità che la particella abbia una certa posizione se si effettua una misura, cioè solo nel momento in cui viene osservata. Ciò vuol dire che, in linea di principio, una particella quantistica, finché non viene osservata, si trova contemporaneamente in ogni luogo ed è l'atto di misurarla che ci permette di conoscere la probabilità che sia in una data posizione piuttosto che in un'altra. Portando questa affermazione nel mondo macroscopico ecco che possiamo comprendere meglio la portata dell'aneddoto da cui siamo partiti. Se nessuno guarda la Luna, essa si troverà contemporaneamente in ogni luogo dell'Universo e sarà "costretta a scegliere una posizione" solo quando qualcuno decide di osservarla.


Ed è qui che il buon senso si ribella, anche perché nel mondo macroscopico le vecchie leggi della Fisica Classica funzionano benissimo e ci permettono di sapere esattamente dove la Luna si trovi ora e dove si troverà domani, dopodomani, ecc...


Negli anni sono state proposte diverse varianti della Meccanica Quantistica, volte soprattutto a superare il problema della misura ma la versione ortodossa è quella che ha garantito i migliori risultati pratici e le previsioni di questa teoria sono state confermate con notevole precisione da rigorosi esperimenti.


Un modello che tenta di conciliare micro e macro è stato proposto nel 1985 dagli italiani Gian Carlo Ghirardi, Alberto Rimini e Tullio Weber. L'idea consiste in una modifica dell'equazione d'onda di Schrödinger che funziona sostanzialmente come l'originale finché applicata a poche particelle ma che, all'aumentare del loro numero, innesca un processo spontaneo che produce lo stesso risultato di un processo di misura. Maggiore è il numero di particelle costituenti il sistema fisico (e in un oggetto macroscopico siamo in un ordine di grandezza di circa centomila miliardi di miliardi), tanto minore sarà il tempo necessario all'innesco del processo (un milionesimo di miliardesimo di secondo circa). Questo significa che gli oggetti macroscopici perdono in brevissimo tempo la loro natura probabilistica e risultano gli stessi descritti dalla Fisica Classica.


Ed ecco che, dopo un attimo infinitamente piccolo, la Luna riprende il suo posto nel cielo stellato sopra di noi.




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Marco Zardetto

Insegnante di Fisica da una quindicina d'anni. Di formazione cattolica ma attualmente agnostico, politicamente non ho bandiere, tendenzialmente lib-lib-lib. Né single né sposato. Piuttosto riservato.


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