Carlo Rovelli La realtà in quanti

Il Sole 24Ore – Domenica – 26 agosto 2012

Albert Einstein e Niels Bohr nel 1930

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La realtà in quanti

La notevole efficacia pratica della meccanica quantistica resta tuttora quasi inspiegabile. Come quando ne discutevano Bohr e Einstein

di Carlo Rovelli

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Un secolo dopo la sua nascita, la meccanica dei quanti continua a inquietare e interrogarci.

I due pilastri della fisica del Novecento, la relatività generale e la meccanica quantistica, non potrebbero essere più diversi. Entrambe le teorie ci insegnano che la struttura fine della natura è molto più sottile di quanto ci appaia. Ma la relatività generale è una gemma compatta: concepita da una sola mente, quella di Albert Einstein, è una visione semplice e coerente di gravità, spazio e tempo. La meccanica quantistica, o “Teoria dei Quanti”, al contrario, a un secolo dalla sua nascita ha ottenuto un successo sperimentale che non ha eguali e ha portato applicazioni che hanno cambiato la nostra vita quotidiana (il computer su cui sto scrivendo, per esempio), ma resta avvolta nel mistero.

Due libri recenti ne ripercorrono la complessa nascita e la crescita. The Quantum Story: A history in 40 moments di Jim Baggott (Oxford University Press), non ancora tradotto in italiano, ripercorre i momenti cruciali di questa teoria straordinaria, in 40 quadri brevi e vivaci. Quantum. Da Einstein a Bohr, la teoria dei quanti, una nuova idea della realtà, di Manjit Kumar (Oscar Saggi, Mondadori), ne restituisce il mistero attraverso la lente privilegiata del lungo e splendido dialogo sul significato della teoria svoltosi attraverso gli anni fra due giganti del pensiero: Albert Einstein e Niels Bohr.

Niels Bohr e Max Planck negli anni venti

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Si usa dire che la meccanica quantistica nasca esattamente nell’anno 1900, quasi ad aprire un secolo di intenso pensiero. Il fisico tedesco Max Planck calcola il campo elettrico in equilibrio all’interno di una scatola calda, usando un trucco: immagina che l’energia del campo sia distribuita in “quanti”, cioè in pacchetti. La procedura porta a un risultato che torna con quanto si misura, ma stride con tutto ciò si sapeva al tempo, perché l’energia era considerata qualcosa che varia in maniera continua, e non c’era ragione per trattarla come fosse fatta di mattoncini. Ma per Max Planck questo era solo uno strano trucco di calcolo. È Albert Einstein, cinque anni dopo, che comprende che i “pacchetti di energia” sono reali. Einstein mostra che la luce è fatta di pacchetti, particelle di luce. Oggi li chiamiamo “fotoni”. Nell’introduzione del lavoro scrive: «Mi sembra che le osservazioni associate alla fluorescenza, alla produzione di raggi catodici, alla radiazione elettromagnetica che emerge da una scatola, e altri simili fenomeni connessi con l’emissione e la trasformazione della luce, siano meglio comprensibili se si assume che l’energia della luce sia distribuita nello spazio in maniera discontinua. Qui considero l’ipotesi che l’energia di un raggio di luce non sia distribuita in maniera continua nello spazio, ma consista invece in un numero finito di “quanti di energia” che sono localizzati in punti dello spazio, si muovono senza dividersi, e sono prodotti e assorbiti come unità singole». Queste righe, semplici e chiare, sono il vero atto di nascita della teoria dei quanti. Si noti il meraviglioso «Mi sembra…» iniziale. Il lavoro viene inizialmente trattato dai colleghi come una sciocchezza giovanile di un giovane brillante. Poi sarà per questo lavoro che Einstein otterrà il Nobel. Se Planck è padre naturale della teoria, è Einstein il padre che l’ha fatta crescere.

Max Planck e Albert Einstein nel 1929

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Ma come tutti i figli, la teoria è poi andata per conto suo e Einstein non l’ha più riconosciuta. Durante gli anni Dieci e Venti del Novecento, è Niels Bohr che ne guida lo sviluppo. È lui che capisce che anche l’energia degli elettroni negli atomi può assumere solo certi valori “quantizzati”, e soprattutto che gli elettroni possono solo “saltare” fra l’una e l’altra delle orbite atomiche con energie permesse. Sono i famosi “salti quantici”. È nel suo istituto, a Copenhagen, che si raccolgono le giovani menti più brillanti del secolo, per cercare di mettere ordine in questi incomprensibili comportamenti del mondo atomico e costruirne una teoria coerente. Nel 1926 appaiono finalmente le equazioni della teoria, che rimpiazzano l’intera meccanica di Newton. È difficile immaginare un trionfo maggiore. D’un tratto, tutto torna, e si riesce a calcolare tutto. Vi faccio un solo esempio: ricordate la tavola periodica degli elementi, quella di Mendeleev, che elenca tutte le possibili sostanze elementari di cui è fatto l’universo, dall’idrogeno all’Uranio? Come mai sono proprio questi gli elementi, hanno proprio questa struttura e proprio quelle proprietà? La risposta è che ogni elemento è una soluzione dell’equazione base della meccanica quantistica. L’intera chimica emerge da questa singola equazione.

Werner Heisenberg 

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A scrivere per primo le equazioni della nuova teoria sarà un giovanissimo genio tedesco: Werner Heisenberg, basandosi su idee da capogiro. Heisenberg immagina che gli elettroni non esistano sempre. Esistano solo quando qualcuno li guarda, o meglio, quando interagiscono con qualcosa d’altro. Si materializzano in un luogo, con una probabilità calcolabile, quando sbattono contro qualcosa d’altro. I “salti quantici” da un’orbita all’altra sono il loro solo modo di essere reali: un elettrone è un insieme di salti da un’interazione all’altra. Quando nessuno lo disturba, non è in alcun luogo preciso. Non è in un luogo. Nella meccanica quantistica nessun oggetto ha posizione definita, se non quando incoccia contro qualcos’altro. Per descriverlo a metà volo fra un’interazione e l’altra, si usa un’astratta funzione matematica che in generale non vive neppure nello spazio reale, bensì in astratti spazi matematici.

Vi sembra assurdo? Sembrava assurdo anche ad Einstein. Da un lato, proponeva Werner Heisenberg per il Nobel, riconoscendo che aveva capito qualcosa di fondamentale del mondo, ma dall’altro non perdeva occasione per brontolare che però così non si capiva ancora niente. I giovani leoni della banda di Copenhagen erano costernati: ma come, proprio Einstein? Il loro padre spirituale, l’uomo che aveva avuto il coraggio di pensare l’impensabile, ora si tirava indietro e aveva paura di questo nuovo balzo verso l’ignoto, che lui stesso aveva innescato? Proprio Einstein, che ci aveva insegnato che il tempo non è universale e lo spazio si incurva, proprio lui ora diceva che il mondo non può essere così strano?

Niels Bohr e Albert Einstein nel 1925 fotografati da Paul Ehrenfest

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Niels Bohr, pazientemente, spiegava ad Einstein le nuove idee. Einstein obiettava. Immaginava esperimenti mentali per mostrare che le nuove idee erano contraddittorie: «Immaginiamo una scatola piena di luce, da cui lasciamo uscire per un breve istante un solo fotone…» così iniziava uno dei suoi famosi esempi. Bohr alla fine riusciva sempre a trovare la risposta, a respingere le obiezioni. Il dialogo è continuato per anni, passando per conferenze, lettere, articoli… Nel corso dello scambio, entrambi i giganti hanno dovuto arretrare, cambiare idea. Einstein ha dovuto riconoscere che effettivamente non c’era contraddizione nelle nuove idee. Ma Bohr ha dovuto riconoscere che le cose non erano così semplici e chiare come pensava all’inizio. Einstein non voleva cedere sul punto per lui chiave: che esistesse una realtà oggettiva indipendente da chi interagisce con chi. Bohr non voleva cedere sulla validità del modo profondamente nuovo in cui il reale era concettualizzato dalla nuova teoria. Alla fine, Einstein accetta che la teoria è un gigantesco passo avanti nella comprensione del mondo, ma resta convinto che le cose non possono essere così strane, e che “dietro” ci dev’essere una spiegazione più ragionevole. È passato un secolo, e siamo allo stesso punto.

“Immaginiamo una scatola piena di luce….”

Le equazioni della meccanica quantistica e le loro conseguenze vengono usate di routine da fisici, ingegneri, chimici e biologi, nei campi più svariati. Ma restano misteriose: non descrivono cosa succede a un sistema fisico, ma solo come un sistema fisico viene percepito da un altro sistema fisico. Che significa? Significa che la realtà essenziale di un sistema è indescrivibile? Significa solo che manca un pezzo alla storia? O significa, come a me sembra, che dobbiamo accettare l’idea che la realtà sia solo interazione?

Chi usa le equazioni della teoria in laboratorio spesso non se ne occupa, ma articoli e convegni di fisici e di filosofi continuano a interrogarsi, anzi sono più numerosi negli ultimi anni. Che cos’è la teoria dei quanti a un secolo dalla sua nascita? Uno straordinario tuffo profondo nella natura della realtà? Un abbaglio, che funziona per caso? Un pezzo incompleto di un puzzle? O un indizio di qualcosa di profondo che non abbiamo ancora ben digerito, che riguarda la struttura del mondo?

Quando Einstein muore, Bohr, il suo grandissimo rivale, ha parole di commovente ammirazione. Quando pochi anni dopo muore Bohr, qualcuno prende una fotografia della lavagna nel suo studio: c’è un disegno. Rappresenta la “scatola piena di luce” dell’esperimento mentale Einstein. Fino all’ultimo, la voglia di confrontarsi e capire di più. Fino all’ultimo, il dubbio.

Niels Bohr, James Franck, Albert Einstein, Isidor Isaac Rabi nel 1954

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La prima puntata, dedicata alla Teoria generale della relatività di Albert Einstein, è apparsa sulla «Domenica» del Sole 24Ore del 19 agosto

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vedi anche:

“La Materia non è più quella di una volta: i misteri dei quanti”

Gian Carlo Ghirardi, Carlo Rovelli 

introduce Mauro Dorato

Festival delle scienze 2009

Roma, Auditorium

E’ trascorso poco più di un secolo da quando gli scienziati hanno iniziato a scoprire che il mondo microscopico delle particelle elementari è inimmaginabilmente diverso dal mondo in cui gli esseri umani vivono le proprie vite. La meccanica quantistica, disciplina nata e sviluppatasi nel corso dei primi decenni del XX secolo con l’intento di descrivere matematicamente questo mondo così peculiare, è a tutt’oggi oggetto di ricerche in ambiti disparati: dalla computazione quantistica, al problema del passaggio dal mondo microscopico al mondo macroscopico, alla sua compatibilità con la teoria della relatività generale nel tentativo di trovare una teoria “del tutto”, in grado cioè di comprendere in un’unica descrizione coerente tutte le forze e tutte le forme di materia presenti in natura. Tra gravità quantistica, teoria delle stringhe e filosofia della scienza, un confronto sugli ultimi sviluppi in uno dei campi di ricerca più attivi e fecondi della fisica teorica.

ascolta QUI

2 Pensieri su &Idquo;Carlo Rovelli La realtà in quanti

  1. “O significa, come a me sembra, che dobbiamo accettare l’idea che la realtà sia solo interazione?” Ma cosa vuol dire? Un’interazione si ha sempre almeno tra due cose; magari è possibile che l’interazione sia tale da rendere inaccessibile aspetti di una delle due o che le cambi entrambe. Ma se qualcosa è inaccessibile al mio sistema di misurazione questo non vuol dire che non esiste. Vuol dire che la mia capacità di conoscere si limita ai fenomeni che nascono dall’interazione. E se è così, Einstein ha ragione:)

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