| Scienze |
Dalla Fisica Classica alla Fisica Quantistica |
 |
 |
| 26 Giugno 2023 | ||||||||||||||||
Il limite sottile tra Scienza e Filosofia sembra dissolversi... inesorabilmente. Gli sviluppi delle ultime frontiere della Fisica quantistica aprono inaspettati orizzonti.
Fin dall'inizio dei tempi l'uomo si è posto alcune domande fondamentali: chi siamo, da dove veniamo e dove andremo una volta che chiuderemo gli occhi per sempre. Domande difficili che hanno sfidato i millenni, facendo discutere filosofi, scienziati e uomini di fede. Le domande, come sappiamo, restano invariate nel tempo, mentre le risposte sembrano dilaniarsi a vicenda, entrando in feroce antagonismo. Nascono nuove linee di pensiero, teologie in perenne cambiamento e nuovi paradigmi scientifici che si muovono attraverso i secoli, emergendo con interpretazioni della Realtà, sempre nuove e in eterna evoluzione. La paradossale differenza tra la staticità oggettiva delle domande, indifferente ai balzi d'umore del Tempo e la trasformazione perenne delle risposte rendono soggettivo e relativo ogni tentativo di spiegazione. Questo è il frustrante aspetto delle indagini conoscitive che l'umanità, nel suo insieme, tenta di proporre. Dopo millenni di diatribe, guerre di religione e di pensiero, due visioni del mondo sembrano emergere dal mare magnum delle proposte intellettuali, per giocare il ruolo da protagonisti: la visione deterministica e quella indeterministica. Nel primo caso ci riferiamo a quella linea di pensiero che sostiene la continuità assoluta e universale della Legge di Causa/Effetto affermando, in estrema sintesi, che potendo conoscere tutte le condizioni di partenza di un particolare fenomeno sarebbe possibile prevederne lo sviluppo nei minimi dettagli. In altre parole sarebbe possibile effettuare delle predizioni assolutamente precise dell'evoluzione di determinate situazioni, conoscendo tutti gli elementi di partenza. Secondo questa visione del mondo tutto risulterebbe essere già prevedibile e determinato nei dettagli. Un mondo senza possibilità di scelta e senza alcuna forma di Libero Arbitrio che possa operare delle opzioni differenti da quelle previste a priori.
La visione deterministica è nata dall'Illuminismo settecentesco. Cristallizzatasi in seguito nel Materialismo scientifico di matrice positivista è ora alla base della Fisica Classica. La visione indeterministica, a differenza di quella precedente, si basa sulle recenti scoperte della Fisica Quantistica e offre una visione nuova della realtà che comprende, come sostiene il fisico italiano Federico Faggin, due nuovi elementi che la caratterizzano: la Coscienza e il Libero Arbitrio È forse sconcertante introdurre due termini che appartengono, storicamente, a discipline come religione, psicologia e filosofia. Tuttavia la rivoluzione ideologica, introdotta e generata dai nuovi paradigmi quantistici, ha creato un rovesciamento culturale le cui conseguenze e i cui effetti sono visibili solo da qualche decennio. Le posizioni di molti scienziati quantistici e filosofi sono note e ne farò alcuni esempi: “Io considero la coscienza come fondamentale, e la materia un derivato della coscienza. Non possiamo andare oltre la coscienza. Tutto ciò di cui discorriamo, tutto ciò che noi consideriamo come esistente, richiede una coscienza”. Max Plank, Fisico quantistico. “Quello della coscienza rappresenta il più sconcertante problema per le scienze della mente. Non c'è nulla che si conosca più intimamente dell'esperienza cosciente, e però niente che sia più difficile da spiegare. In epoca recente tutti i fenomeni mentali si sono lasciati analizzare, ma la coscienza ha resistito ostinatamente. Molti hanno cercato di fornire spiegazioni, ma esse sembrano sempre non essere all'altezza dell'obiettivo”. David Chalmers, Filosofo.
“La coscienza non può essere spiegata in termini fisici e nei termini di nessun'altra cosa”. Erwin Schrödinger, Fisico Quantistico. La necessità da parte degli scienziati di introdurre nelle speculazioni termini come coscienza e libero arbitrio nasce proprio dalle indagini quantistiche che hanno rivelato aspetti della realtà prima inimmaginabili. Lo stesso Albert Einstein si pronunciò contrario alle iniziali osservazioni di questa “Nuova Fisica” che prevedeva percentuali di probabilità sulla determinazione di alcuni parametri riguardanti posizione, velocità o rotazione sul proprio asse di particelle elementari, piuttosto che assolute certezze. La famosa affermazione di Einstein, “Dio non gioca a dadi” era proprio riferita alla sua personale critica verso le spiegazioni basate sulla probabilità piuttosto che sulla certezza dei dati di laboratorio. Ma quello di Einstein era il Dio filosofico, non religioso. Quando anni dopo gli fu chiesto se credesse in Dio, rispose: "Credo nel Dio di Spinoza, che si rivela nell'ordine armonico di tutto ciò che esiste, ma non in un Dio a cui interessino il destino e le azioni dell'umanità". Baruch Spinoza, un contemporaneo di Isaac Newton e Gottfried Leibniz, concepì Dio come identico alla natura. Per questo venne considerato eretico e fu allontanato dalla comunità ebraica di Amsterdam. Il Dio di Einstein è indefinitamente superiore, impersonale e intangibile, acuto ma non maligno. È anche fermamente determinista. Per quanto riguarda Einstein, l'ordine armonico viene stabilito nel cosmo grazie alla stretta aderenza ai principi fisici di causa ed effetto. Quindi, non c'è spazio nella filosofia di Einstein per il libero arbitrio: “Tutto è determinato". Einstein era un convinto determinista, una sorta di ponte tra due nuove visioni di una Fisica che stava cambiando pelle.
La Teoria della Relatività aveva sostituito il concetto di Gravità con quello di curvatura spazio-temporale, determinato dalla massa di un corpo. La Terra ruotava intorno al Sole non perché fosse da questi attratta ma perché l'immensa massa solare agiva sullo spazio deformandolo e trasformandolo in una sorta di imbuto con il Sole al centro e la Terra sul bordo che percorre ruotando intorno alla stella. La Fisica di Galileo e di Newton stava entrando in una fase puramente storica, diventando testimonianza di un tempo che non apparteneva più alla reale concezione del mondo. Tuttavia il determinismo sembrava essere ancora salvo. Il convegno che propose l'interpretazione più eretica della Fisica si svolse a Copenaghen nel 1927 e vide come protagonisti due autentici geni della Fisica Quantistica: il danese Niels Bohr e il tedesco Werner Heisenberg. La sconcertante conclusione dell'interpretazione di Copenaghen fu la seguente: se prendiamo, come esempio, il lancio di un dado, secondo la Fisica Classica noi saremmo in grado, conoscendo l'altezza da cui viene lanciato il dado, la velocità, l'angolo d'inclinazione e tutte le altre possibili variabili, di calcolare il risultato, cioè conoscere a priori quale faccia del dado si poserà sul tavolo, si tratta solo di prevedibili leggi meccaniche. Per contro l'interpretazione di Copenaghen sostiene che in meccanica quantistica i risultati delle misurazioni di variabili coniugate sono fondamentalmente non deterministici, ossia che anche conoscendo tutti i dati iniziali non sia possibile prevedere il risultato di un singolo esperimento. In pratica pur avendo tutti i dati possibili non siamo in grado di sapere se, ad esempio un fotone, durante particolari esperimenti, si comporterà come un'onda o come una particella. Estrapolando da questo contesto unicamente questa ultima affermazione, si potrebbe concludere che in Fisica Quantistica valga un Principio di Indeterminazione in grado di sconvolgere, con le proprie gravi conseguenze, i precedenti paradigmi deterministici. Tornando alle posizioni deterministiche, Einstein nel 1926, rispondendo al fisico tedesco Max Born, uno dei padri della Fisica Quantistica, scrisse:
“La teoria funziona, ma difficilmente ci si avvicina al segreto del Grande Vecchio e comunque sono convinto che Lui non giochi a dadi”. Albert Einstein Lo scienziato tedesco nel 1927, al congresso di Solvay, si espresse in questo modo per contestare i nascenti postulati della Fisica quantistica che mettevano in discussione la validità di alcuni aspetti della Fisica classica. Neils Bohr, presente al convegno, gli avrebbe risposto: “Einstein, smettila di dire a Dio cosa deve fare!”. In seguito, lo stesso Bohr, aggiunse: “Da parte sua, Einstein ci chiese scherzando se potevamo credere effettivamente che la Provvidenza divina fosse ricorsa al ‘giuoco dei dadi’, al che io replicai facendo osservare che già gli antichi pensatori avevano ammonito di essere molto cauti nel definire gli attributi della Provvidenza col linguaggio comune.” Anche Werner Karl Heisenberg, presente in quell'occasione, ricorda la battuta: “Al che Bohr poté soltanto rispondere: “Ma non tocca a noi dire a Dio come deve far andare il mondo”. Riprendendo alcuni concetti dell'articolo precedente siamo giunti alla conclusione che la Fisica Quantistica sia radicalmente differente dalla Fisica Classica. Einstein, come si è detto, accettava con reticenza i nuovi aspetti di un mondo disegnato secondo altre regole. Un mondo che non si spiegava intuitivamente, che sembrava contraddire le fondamenta sulle quali poggiava tutto il castello costruito pietra su pietra da fisici illustri come Galileo, Newton, e tutti coloro che non si erano ancora misurati con quelle bizzarre finestre aperte sulla Meccanica quantistica. Una Fisica controintuitiva era quanto di peggio, o di meglio ci si potesse attendere dalla Scienza. Un esempio di concetto stravagante descritto dalla Fisica quantistica venne fornito dall'entanglement. Letteralmente intreccio, ingarbugliamento o identificazione quantistica. "Entanglement" (in inglese, "groviglio", "intreccio") è un termine coniato da Erwin Schrödinger nel 1935 e in meccanica quantistica indica una relazione fra particelle.
È definita da una funzione matematica, che mette in relazione le proprietà delle particelle come fossero un unico oggetto. Il fatto straordinario è che la relazione è indipendente dalla distanza tra le due particelle, ed è ininfluente lo spazio che le divide. Il fatto più sconcertante è che le due particelle sembrerebbero influenzarsi a vicenda, comunicando il proprio stato ad una velocità superiore a quella della luce. Questo fenomeno entrerebbe in contrasto con la Teoria della relatività che fissa nella velocità della luce nel vuoto, il limite massimo raggiungibile. Questa grande e sconcertante osservazione creò una crisi fortissima nel mondo dei fisici degli anni '30. Una prima corrente di pensiero fu guidata da Niels Bohr, il grande pioniere della meccanica quantistica. Questa corrente proponeva un concetto assolutamente incredibile: veniva affermato che le particelle nascessero quando osservate e che solo la loro funzione onda del sistema fosse reale prima dell'osservazione. In altre parole affermava che le particelle si manifestassero come tali solamente quando, in fase di esperimento, erano osservate dagli studiosi. L'unico fatto veramente reale e osservabile era la Funzione d'onda, ovvero un complesso valore matematico ottenuto risolvendo l'equazione di Schrödinger della particella. Si opposero fermamente a questa visione tre scienziati di grande fama: Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen. Gli studiosi erano convinti che le particelle nascessero già con le loro caratteristiche (realismo locale), in quanto la relatività, come accennato, aveva dimostrato che nessuna informazione poteva trasmettersi istantaneamente, viaggiando più veloce della luce. L'entanglement, definibile come un fenomeno istantaneo, doveva quindi essere soggetto a delle variabili nascoste, a noi sconosciute, le quali avrebbero definito le qualità intrinseche delle particelle prima ancora di effettuare l'osservazione. Dalle iniziali dei nomi dei tre scienziati, Einstein, Podolsky e Rosen, venne formulato il Paradosso EPR. La vexata quaestio prese la forma di una vera e propria guerra di intelletti, tuttavia mancavano ancora le tecnologie per dirigere i fatti ed assegnare la palma di vincitore a una delle due fazioni.
Dovremo attendere fino al 1964 quando il matematico John Bell identificò un metodo basato sulle probabilità, chiamato Teorema di Bell. L'oggetto della discussione era comprendere se lo stato quantico delle due particelle correlate tra loro definito "entangled", fosse tale fin dall'inizio (seguendo l'idea di Einstein, Podolsky e Rosen) o se si rendesse noto solo al momento dell'osservazione (come nell'ipotesi di Bohr). A causa di difficoltà tecnologiche, per riuscire a verificare sperimentalmente il teorema di Bell si dovette aspettare fino al 1982, quando Alain Aspect misurò il comportamento di fotoni entangled e validò la teoria di Bohr. Einstein aveva quindi torto. Fintantoché le due particelle non vengono osservate, le loro “qualità” rimangono indefinite, ovvero entrambe le particelle, ad esempio, hanno al tempo stesso spin positivo e negativo, secondo il principio di sovrapposizione degli stati. È la sola presenza dell'osservatore ad interferire con il sistema ea calarlo nella "realtà". Quando la qualità di una particella cambia, istantaneamente cambia anche quella della sua compagna, indipendentemente dalla distanza tra le due. Per quanto possa apparire strano o controintuitivo l'entanglement ci permette di conoscere istantaneamente il comportamento della seconda particella, senza assumere per vero che le informazioni tra le particelle viaggiano ad una velocità maggiore di quella della luce, ma perché le due particelle fanno parte di un unico sistema. Una causa esterna come la presenza di un osservatore non altera solo il comportamento della prima particella, ma influenza tutto il sistema, e di conseguenza definisce lo stato quantistico anche della seconda. Facendo un salto concettuale che ci permetterà in futuro di comprendere meglio il nuovo Paradigma proposto da Federico Faggin, potremmo ipotizzare che sia la coscienza dell'osservatore ad intervenire nell'esperimento per trasformare uno stato di sovraesposizione di due situazioni in una forma di collasso in grado di rivelare la qualità corpuscolare di una determinata particella.
Ben si comprende quale possa essere la portata di una tale concezione e di quanto possa cambiare la visione del mondo introducendo i nuovi concetti della Fisica Quantistica. Mi rendo conto di aver semplificato in modo imprudente concetti e studi che meriterebbero l'appoggio di formule e dimostrazioni ben più serie e confortanti, ma lo scopo è solamente quello di puntualizzare che la Scienza sta assumendo un volto nuovo, addentrandosi in territori sconosciuti e forse per qualcuno inquietanti. Per confermare l'importanza di questi studi aggiungerò che i tre scienziati che hanno vinto il Nobel per la Fisica del 2022: Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger sono i fisici sperimentali che hanno dimostrato l'esistenza dell'entanglement. Born sosteneva: “Il cuore della nuova teoria della meccanica quantistica, palpita in modo casuale e incerto, come se soffrisse di aritmia. Mentre la fisica prima dei quanti consisteva nel fare questo per ottenere quello, la nuova meccanica quantistica sembrava dire che quando facciamo questo, si ottiene quello solo in base a una certa probabilità. E in alcune circostanze potremmo ottenere altro.” Tratto da Civico20news www.civico20news.it Per gentile concessione dell’Autore Giancarlo Guerreri è biologo, scrittore e autore teatrale. Tra i suoi libri: “La maledizione di Dante”, edizioni Bonfirraro 2021. Ha partecipato come attore alla realizzazione del Film di Louis Nero “Il Mistero di Dante”. Collabora regolarmente come Redattore con la Rivista on-line Civico20news. È Direttore Editoriale della rivista Delta. |
Seguici su:
