Note sulla meccanica quantistica

A gran parte delle persone comuni (tra cui si annovera lo scrivente) non è ancora pervenuta nozione che qualcosa è cambiato nella visione della fisica di questo mondo rispetto a quanto è stato loro inculcato in mente a scuola, negli studi remoti ma anche recenti: non solo Galilei e Newton, ma forse anche Einstein, sembra debbano essere riveduti e corretti; anche se, in verità, nella vita di tutti i giorni per noi non è cambiato nulla.

Concezioni venute alla luce nei primi decenni del secolo scorso hanno affiancato alla “fisica classica” le nozioni della “meccanica quantistica” la quale si richiama ai “quanti” di Planck poiché alcuni valori non variano con continuità ma per quantità discrete (ed abbiamo usato il termine “affiancato” perché, come spesso avviene nella evoluzione del sapere, i nuovi concetti non annullano i precedenti, ma li affinano, li precisano, li integrano, senza che alla dimensione ed alla velocità con cui agisce l’uomo comune alcun problema venga posto dalla nuova meccanica allo svolgimento delle sue attività quotidiane). Secondo la nuova concezione, quindi, le leggi della fisica classica continuano a sussistere, ma i loro valori deterministici sono applicabili soltanto a fenomeni macroscopici ed a velocità non elevate.

Sino ai primi anni del ‘900 erano ritenute intangibili le nozioni sul comportamento delle cose e sulle forze agenti su di esse dettate dalle secentesche leggi della gravitazione e dalle successive intuizioni di Maxwell che condussero alla formulazione delle leggi sull’elettromagnetismo. Ma con la pubblicazione delle leggi einsteniane sulla relatività, ristretta e generale, e il conseguente concepimento delle nozioni dello spazio-tempo quadridimensionale e della insuperabilità della velocità della luce, le leggi di Newton, seppure tuttora in uso persino per la navigazione astronomica, richiesero un ripensamento, in particolare se applicate al caso di mezzi viaggianti a velocità elevatissime. Le leggi di Einstein, se chiarivano che la gravità era in sostanza determinata dalla curvatura dello spazio-tempo, non davano alcuna spiegazione di come ciò si determinasse, e lasciavano comunque ancora non formulata una legge fisica di carattere generale che accorpasse in un unico sistema le leggi gravitazionali e quelle sull’elettromagnetismo, sulla forza nucleare forte (che lega i costituenti dell’atomo) e sulla forza nucleare debole, che è connessa con il decadimento dell’atomo.

E’ noto che ultima fatica dell’illustre scienziato fu appunto la ricerca di tale unificazione, rimasta vana sino alla data del suo decesso. Nel frattempo furono concepite le leggi matematiche che introdussero la meccanica quantistica, che davano conto di un sistema comune per le tre ultime forze sopra citate ed inserivano concetti innovativi riferibili però soltanto al mondo atomico e subatomico, mentre lasciavano ancora esclusa la legge di gravità.

E’ impossibile qui cercare di esporre con sufficiente precisione i termini della recente teorizzazione, ma si vogliono almeno citare i riferimenti di base su cui si sviluppano i nuovi dettami della fisica:

– il principio di indeterminazione, secondo cui, in particolare, non è possibile verificare contemporaneamente la posizione e la quantità di moto (ovvero la velocità, nota la massa) di un elemento,

–  il fenomeno di non-separabilità (entanglement), per cui esistono particelle doppie di caratteristiche legate tra loro in maniera inscindibile, sì che modificando l’una si modifica contemporaneamente anche l’altra, quale che sia la distanza che le separa.

La nascente teoria richiese anche l’introduzione di strumenti mentali nuovi per spiegarne le implicazioni; così si discute di:

– funzione d’onda, che non possiede una significazione fisica, ma costituisce solo la matematica informazione dello stato di un sistema, e la sua entità è espressa, secondo una delle interpretazioni, dal quadrato del valore assoluto del numero complesso che la misura;

– spin: proprietà delle particelle costituente un momento angolare aggiuntivo rispetto a quello orbitale.

Lo stato di un sistema, o di una particella, viene dunque ricercato come probabilità di trovarlo in corrispondenza di una grande ampiezza della funzione d’onda.

Per quanto concerne lo spin, esso è un momento quantizzato, nel senso che possiede solo due direzioni, su e giù, diversamente da quanto avviene per i momenti della fisica classica, che agiscono in tutte le direzioni.

Appare subito evidente la difficoltà di avvicinare il significato fisico delle definizioni ora date, tanto che persino Einstein esprimeva dubbi su alcuni loro aspetti (ad esempio come spiegare quei “sinistri effetti a distanza” che facevano sì che uno degli elementi entangled potesse percepire anche da molto lontano la variazione del corrispondente, talora addirittura in tempi che sembravano ignorare il limite della velocità della luce); egli anzi si augurava che gli sviluppi della tecnologia consentissero di dimostrarne l’erroneità! Però gli sviluppi successivi delle molteplici formule matematiche che conducono a detti concetti (anche partendo da basi completamente diverse) hanno portato sinora al riconoscimento della loro fondatezza, sebbene nessun esperimento pratico abbia consentito sino adesso di dimostrarne la concretezza.

Un aspetto fondamentale è che da quanto precede deriva innanzi tutto la considerazione che, in contrasto con la visione deterministica della meccanica classica, nell’applicazione della meccanica quantistica (e quindi principalmente nell’ambito del subatomico) vige il concetto della approssimazione: così, ad esempio, non sarebbe possibile determinare con sicurezza la posizione di un elettrone nella sua orbita, ma solo la probabile posizione di esso. Significativo è l’esperimento mentale (che estende l’applicabilità della teoria ad un’entità macroscopica) dell’ormai famoso gatto di Schroedinger: se chiudiamo in una scatola stagna un gatto e vi immettiamo una sostanza radioattiva che abbia il 50% di probabilità di decadere entro un’ora e che degradando azioni un meccanismo che ne causi la morte, dopo un’ora, nella nostra conoscenza se non apriremo la scatola, il gatto sarà contemporaneamente vivo e morto (vi sono infatti pari probabilità per l’una e l’altra ipotesi), e solo l’osservazione potrà sciogliere l’enigma.

Dunque: nessuna grandezza possiede un valore sinché non viene misurata, e nessun oggetto esiste sino a che non viene osservato, poiché le cose esistono soltanto quali vengono percepite: come è possibile sapere com’erano prima che le osservassimo?  E l’approssimazione come dato fondamentale conduce anche alla conclusione che i procedimenti di misura non sono reversibili, in quanto procedendo all’inverso la strade da percorrere sono molteplici e non determinabili in partenza. Anche i modi di effettuare le misure debbono essere concepiti in concordanza con la quantistica: così la misurazione dell’energia posseduta da una molecola è un aspetto quantistico, mentre la temperatura di un gas, che è in relazione alla somma dell’energia delle singole molecole, è una misura deterministica propria della fisica classica.

Come accennato all’inizio, la meccanica quantistica appare talora in disaccordo con la einsteiniana teoria della relatività generale, oltre ad essere di difficile comprensione persino agli studiosi del sistema: che dire della gente comune? Vorremmo chiudere con una battuta attribuita ad Einstein: non hai veramente capito qualcosa fino a quando non sei in grado di spiegarlo a tua nonna.

(È aperta la discussione sull’argomento finale)