Fisica quantistica: astrusità e fascino

Stephen Hawking 1942-2018

Non immagino un modo migliore di commemorare Stephen Hawking se non quello di riprendere dopo tanto tempo a scrivere in questo blog dedicato alla conoscenza. Con la passione di chi tenta di condividere con parole facili la comprensione dell’universo, o del “tutto”, come diceva lui.  

Hawking aveva un sogno: descrivere il “tutto” con una “unica elegante equazione”. Ha dedicato a questo scopo tutta la vita ma il tempo non gli è bastato, pur avendo seminato talmente tanto che ci vorranno decenni per capire la portata delle sue intuizioni, proprio come è successo con Galileo, Newton ed Einstein.

Ha intuito che il “tutto” non poteva prescindere dallo studio dei buchi neri, secondo lui entità di collegamento tra universi paralleli e di armonizzazione tra fisica classica e quantistica.

E sapeva anche che dedicandosi ai buchi neri non avrebbe mai vinto il Nobel. Il conferimento del premio pone infatti due condizioni: presenza di solide basi teoriche e di evidenze empiriche; le prime ci sono, le seconde no perché i buchi neri non sono mai stati osservati.       

La sua storia è molto ben raccontata nel bellissimo film La teoria del tutto, interpretato magistralmente da Eddie Redmayne, che ha vinto l’Oscar come miglior attore. Se non l’avete visto vi invito a farlo, è un grande film per una grande storia.  

Stephen Hawking interpretato da Eddie Redmayne

 

Veniamo al tema che dà il titolo a questo post. Nel 2011 avevo scritto “non ho capito un accidenti della fisica quantistica ed è la seconda volta che ci provo; ci vorrà la terza, poi se succede il miracolo ve la racconto”.

Sì, ci ho messo sette anni ma il miracolo è successo, la bestia nera si è disvelata e adesso piano piano cominciamo a parlarne perché ne vale la pena. Quando mi si è accesa la lampadina sono rimasto a bocca aperta per un bel po’, e dalla mia capoccia spuntava un fumetto con la scritta “porca vacca!”.  

Dunque, esistono le particelle elementari, ne abbiamo parlato anche a proposito del bosone di Higgs, qui. Queste sono gli elettroni, i fotoni, i protoni, i neutrini eccetera eccetera, una ventina di tipi. Si chiamano anche quanti e la loro definizione è “la quantità di materia discreta più piccola e indivisibile”. Discreta vuol dire che si può contare: uno, due, tre elettroni etc.

Sul finire dell’ottocento, quando si cominciò a osservare le particelle elementari (che d’ora in poi chiameremo quanti), i fisici si aspettavano che il loro moto avrebbe rispettato le leggi della fisica di Galileo e Newton ma, con sorpresa e sbigottimento, scoprirono invece che non era così.

Se mettiamo una sfera su un piano inclinato che va dal punto A al punto B e ne conosciamo velocità e accelerazione, siamo in grado di predire con assoluta certezza che la sfera sarà nel punto B al tale tempo T. Questo esperimento è ripetibile e darà sempre il medesimo risultato.   

Adesso spariamo un fotone (o un altro tipo di quanto) da A a B, ne conosciamo la velocità (che è quella della luce) e prediciamo che sarà al punto B al tempo T. Ebbene… non è sempre vero!

Il fotone sarà probabilmente al punto B al tempo T, altre volte ci arriverà in un tempo diverso oppure non ci arriverà. Questo esperimento è ripetibile e non darà quasi mai il medesimo risultato.

In altre parole, non è possibile predire la posizione di un quanto nello spazio. Questo è uno dei pilastri della fisica quantistica e si chiama principio di indeterminazione di Heisenberg, enunciato nel 1927, per il quale il suo autore prese il premio Nobel nel 1932.  

Werner Karl Heisenberg

Capite che per un fisico che ha sempre pensato che 2+2 fa sempre quattro, queste osservazioni sono sconvolgenti. Introdurre nella fisica concetti come probabilmente e forse stravolge tutto, al punto da non riuscire a crederci.

E infatti molti, anche davanti all’evidenza sperimentale non ci credettero, almeno inizialmente. Tra questi anche Einstein che pensava ad un errore concettuale, e nel 1926 scrisse in una lettera a Niels Bohr la famosa frase “Dio non gioca a dadi” (Bohr stette al gioco e gli rispose "Non dire a Dio come deve giocare").

Niels Bohr con Albert Einstein

Ecco un esperimento quantistico che possiamo fare tutti: in una bella giornata fermiamoci davanti alla vetrina di un negozio e osserviamo gli oggetti esposti. La nostra osservazione però è disturbata dal riflesso di noi stessi nel vetro, un po’ vediamo il contenuto della vetrina e un po’ vediamo noi stessi. La spiegazione è che una parte dei fotoni provenienti dal Sole attraversa il vetro, colpisce l’oggetto e rimbalza ai nostri occhi mostrandoci l’oggetto. Un’altra porzione di fotoni, invece, non attraversa il vetro e rimbalza restituendoci l’immagine di noi stessi. Perché? Non lo sappiamo!

Ripetendo l’esperimento in laboratorio dove possiamo contare i fotoni, osserviamo che una percentuale di fotoni intorno al 70% attraversa il vetro e il restante 30% circa rimbalza. Ecco che ci risiamo: “intorno”, “circa”, “forse”, “probabilmente”; concetti che fanno a pugni con il determinismo della fisica classica. Ragazzi, non lo dite a Galileo ma qui c’è da creare una nuova fisica!

Nel tempo anche Einstein si dovette arrendere all’evidenza. Tutto vero, Dio gioca a dadi, ma “è indispensabile cercare una teoria unificante, non possono esistere due fisiche”.

Ed eccoci alla “teoria del tutto” di Hawking, dalla quale siamo ancora lontani ma ora sappiamo, per dirlo con le sue parole, che “non solo Dio gioca a dadi, ma a volte ci confonde gettandoli dove non li si può vedere”; cioè nei buchi neri, laboratori dove la materia è riciclata, trasformata e va ad alimentare altri universi.

C’è ancora tanto da dire sulla fisica quantistica, ma non posso fare un post lungo un chilometro. Digeriamo questo, poi ci saranno altre sconvolgenti rivelazioni.

Anticipazione: lo sapevate che un fenomeno esiste solo se è osservato? Pazzia? No, è la fisica quantistica!

A presto.  

P.S:

Attenzione alle bufale quantistiche, supercazzole per riempirsi la bocca: pensiero quantistico, teoria quantistica dell’anima, riequilibrio quantico, programmazione neuro-quantistica, coscienza quantica, yoga quantistico...