Scienza

Il mondo secondo la fisica quantistica

Un libro svela i segreti dell'infinitamente piccolo basandosi su interviste ai protagonisti delle ricerche più recenti

Il mondo secondo la fisica quantistica

Luca Sciortino

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C’è un mondo dentro il mondo: è quello degli atomi e delle particelle elementari. Nessuno può vederlo ma è possibile immaginarlo e comprenderlo grazie a una teoria: quella della Meccanica Quantistica.

Ci rivela le leggi che governano l’infinitamente piccolo mostrandoci una realtà che non è meno affascinante di quella del mondo macroscopico. E allora varrebbe la pena di conoscere questa teoria, magari aprendo un buon libro di divulgazione come Il mondo secondo la Fisica Quantistica. Segreti e meraviglie della scienza che sta cambiando la nostra vita (Sperling & Kupfer) del fisico, giornalista e divulgatore Fabio Fracas.

Quello che segue è un colloquio con lui alla scoperta di cosa può insegnarci il suo libro, di come dovremmo leggerlo e di quali ripercussioni può avere, sta già avendo, la Fisica Quantistica persino nella nostra vita quotidiana.

Professor Fracas, ci dice una buona ragione per la quale dovremmo cimentarci nella lettura di un libro sulla Fisica Quantistica come il suo?
Dal mio personale punto di vista, le ragioni sono molte e coincidono con le motivazioni che mi hanno spinto a scriverlo. Negli ultimi anni la Fisica Quantistica è diventata un argomento – anche di conversazione – molto importante e contemporaneamente all’interesse che ha saputo suscitare si sono creati una serie di miti e di equivoci sui suoi effettivi contenuti. Più di una volta, durante incontri, conferenze e persino lezioni universitarie, mi sono sentito rivolgere domande che non riguardavano tanto la Fisica Quantistica quanto le sue fascinazioni. Erano domande che rivelavano il diffondersi di alcuni equivoci che era necessario chiarire. Ho quindi sentito il bisogno di spiegare cos’è la Fisica Quantistica partendo a ritroso dalla nascita della teoria e arrivando fino alle sue attuali applicazioni.

E quindi ha scritto “Il mondo secondo la fisica quantistica”... In che modo questo libro raggiunge questo obiettivo?
Prima di tutto avvicina il lettore alle basi scientifiche su cui poggia la teoria della Fisica Quantistica: spiega le origini, le modalità e i contesti nei quali le varie ipotesi e i diversi modelli sono stati sviluppati nel corso dei primi anni del Novecento. Poi, dopo aver chiarito la sua collocazione nella moderna prospettiva della fisica, specifica in quali ambiti può essere usata e quali sono i suoi rapporti con le altre principali teorie come la Relatività e la Teoria delle Stringhe. Infine, c’è un’ultima parte – quella che mi ha richiesto più energie per essere scritta – dove affronto alcuni temi attualmente molto dibattuti sul rapporto fra la Fisica Quantistica e gli altri ambiti della ricerca scientifica come, per esempio, la medicina e le neuroscienze.

Perché quest’ultima parte le ha richiesto “più energie”?
Perché sono un fisico e un ricercatore e molte delle ipotesi su cui si basano quegli studi non sono condivise da tutti gli scienziati e coinvolgono aspetti su cui, proprio in questi anni, si stanno sviluppando accesi dibattiti. Ho dovuto quindi mettermi completamente nel ruolo del divulgatore facendo parlare il più possibile gli stessi protagonisti delle ricerche e offrendo per ogni argomento trattato differenti punti di vista; anche quelli critici o totalmente contrari. Così facendo mi sono posto in una posizione di imparzialità inserendo nelle note del volume tutti gli articoli e i testi che possono essere usati sia per suffragare sia per invalidare tutte le varie affermazioni.

In realtà, anche nella seconda parte vengono presentate teorie che a prima vista possono sembrare fantasiose se non addirittura sconcertanti.
In effetti, parlare di teletrasporto quantistico o di Entanglement – la possibilità che due sistemi connessi, due particelle oppure due o più atomi, interagiscano istantaneamente fra loro anche se si trovano ad anni luce di distanza – può essere spiazzante se non si conoscono i presupposti della Fisica Quantistica. Persino Albert Einstein si era espresso chiaramente contro la possibilità che il fenomeno dell’Entanglement potesse verificarsi. Eppure adesso è un effetto ben conosciuto su cui si stanno sviluppando delle rivoluzionarie tecnologie. Forse, in futuro, molto di ciò che adesso riteniamo impossibile potrebbe rivelarsi perlomeno plausibile.

La teoria quantistica, quindi, è in grado di offrire una nuova prospettiva per l’interpretazione della realtà…
Sì, esattamente. Capire come funziona la Fisica Quantistica e quali sono le sue attuali possibilità significa possedere una diversa chiave di interpretazione del mondo e riuscire a guardarlo con occhi nuovi.

In un certo senso è come avere accesso a una realtà che altrimenti rimarrebbe sconosciuta?
Questa è la mia personale opinione.

Però ho un’obiezione: alcuni problemi importanti della Meccanica Quantistica sono connessi all’interpretazione delle sue formule. Quindi per capirli occorre conoscere il suo linguaggio, cioè cimentarsi con una matematica alquanto difficile. Se questo è vero, la Meccanica Quantistica di fatto non è divulgabile...
Questa domanda è la stessa che mi sono posto all’inizio del mio percorso come docente universitario, oltre venti anni fa. La risposta che mi sono dato è che sono fermamente convinto che si possa spiegare un qualsiasi fenomeno fisico – con tutti i problemi connessi e le relative soluzioni – senza ricorrere esclusivamente al linguaggio matematico. E quando diventa assolutamente indispensabile farlo, scegliendo con cura gli strumenti più utili e soprattutto, spiegandoli nel modo più chiaro e completo possibile. Far capire ciò che c’è alla base, le logiche su cui si fonda la teoria, permette di affrontare qualsiasi tema con la consapevolezza di arrivare a comprenderne la natura più profonda.

Ci sono molti altri libri che cercano di spiegare la Meccanica Quantistica senza fare molto uso del linguaggio matematico. Che cosa ha il suo libro in più?
L’intera struttura del volume è costruita come un unico grande momento di confronto con scienziati e ricercatori che lavorano quotidianamente sui vari temi trattati. Persino le parte storiche, oltre alle necessarie fonti di letteratura, sono state costruite come un dialogo fra me e il Prof. Giulio Peruzzi, dell’Università di Padova, docente di Storia della Fisica e Storia dell’Astronomia. “Il mondo secondo la Fisica Quantistica” può essere considerato come un libro innovativo e originale perché non si limita a riportare fatti e date ma cerca di andare più in profondità e contemporaneamente di fornire un panorama sull’attuale stato dell’arte degli studi nei vari campi. Pensi che alcuni dati forniti nel libro – quelli relativi alla collaborazione LIGO-Virgo, per esempio – sono stati resi pubblici nell’agosto del 2017 e il libro è stato pubblicato solo tre mesi dopo.

Quindi il lettore, in un certo senso, parla con questi grandi scienziati?
Proprio così. Le faccio due esempi fra i tanti. Nel capitolo che affronta il tema del rapporto fra Fisica Quantistica e Relatività Einsteiniana, il lettore si confronta direttamente con Marco Drago: il primo uomo al mondo ad aver “visto” le onde gravitazionali quando lavorava presso il Max Planck Institute di Hannover. In quello dedicato all’Entanglement, la discussione sull’attuale situazione delle ricerche e sui futuri possibili sviluppi vede come protagonista Giorgio Colangelo che, lavorando presso l’ICFO (l’Istituto per le Scienze Fotoniche di Barcellona) ha contribuito a sviluppi significativi della Metrologia Quantistica e della fisica relazionata al Principio di Indeterminazione di Heisenberg.

In che stile è scritto il libro?
In un linguaggio molto semplice e al contempo rigoroso. Il mio obiettivo è stato quello di rendere i concetti facilmente comprensibili senza mai banalizzarli. È un saggio scientifico che può essere letto con soddisfazione da chiunque si appassioni a questo tipo di argomenti e al contempo è anche un libro di testo destinato agli studenti che devono avvinarsi ai concetti della Fisica Quantistica per utilizzarli nei propri percorsi di studio. Io racconto le formule, le analizzo negli elementi che le costituiscono cercando di renderle fruibili e comprensibili a chiunque. Il lettore può immaginare gli atomi e le particelle muoversi nello spazio. Perché le formule “traducono” oggetti e realtà che possono essere efficacemente descritte anche con le parole.

Il libro, quindi, fa anche vedere come ragionano i fisici. Si può dire che gli scienziati, in fondo, lavorano con l’immaginazione come gli artisti...
Sì, è così. Il libro consente anche di capire il pensiero dei principali scienziati coinvolti in quella che è stata definita la “rivoluzione quantistica”. Trovo che questa possibilità offerta al lettore sia estremamente affascinate perché inserisce il contesto storico e culturale nel processo che ha portato prima alla definizione dei quanti e successivamente a tutte le altre scoperte: dal Principio di Indeterminazione di Heisenberg a quello di Esclusione di Pauli e così via.

Quindi ci sono anche dei retroscena sulla storia della fisica?
Certamente. Grazie al confronto con il Prof. Giulio Peruzzi e ai tanti testi che ho utilizzato come riferimento, e che sono stati inseriti nelle note a corredo di ciascun capitolo, sono riuscito a risalire ai rapporti, anche umani, esistenti fra Niels Bohr e Joseph John Thomson, per esempio. Oppure a quelli fra lo stesso Bohr e Werner Karl Heisenberg. In alcuni casi, ho preferito rivolgermi alle fonti originarie in tedesco quando sono sorti dubbi sulle successive traduzioni e lo stesso lavoro di ricerca l’ho fatto anche sugli articoli originari pubblicati sulle riviste dell’epoca. C’è voluto molto tempo e moltissima pazienza ma ne è valsa sicuramente la pena. Questo aspetto, dal mio punto di vista, rende il volume utile anche a chi ha già una solida preparazione fisica ma vuole approfondire il contesto e le motivazioni che hanno portato alla realizzazione delle varie scoperte.

D’accordo. Come dobbiamo leggere questo libro? Da quello che lei dice sembra che non sia necessario leggerlo dal primo all’ultimo capitolo, in sequenza, ma che sia anche possibile crearsi da soli un proprio personale percorso di lettura.
Nella prefazione, definisco la lettura de “Il mondo secondo la Fisica Quantistica” come un viaggio che può essere affrontato in molti modi diversi. Il mio consiglio, per chi vuole formarsi una solida base di conoscenze è di leggere subito e in sequenza, i capitoli dall’uno al quattro. Chi, invece, vuole approfondire inizialmente il rapporto esistente fra la Fisica Quantistica e la Relatività Einsteiniana oppure quello con la Teoria delle Stringhe, può cominciare dal capitolo cinque e concludere questo percorso con il settimo capitolo, interamente dedicato all’Entanglemet. I capitoli finali, quelli dove vengono affrontati i temi più dibattuti e controversi, andrebbero letti alla luce di quanto emerso precedentemente perché vanno correttamente contestualizzati.

Com’è nata la meccanica quantistica?
Nacque in maniera imprevedibile esattamente nel 1900. Nel settembre di quell’anno Lord Kelvin, parlando davanti all’assemblea della British Association for the Advancement of Science, a Bradford aveva detto “Ormai in fisica non c’è più nulla di nuovo da scoprire. Tutto ciò che rimane da realizzare sono misure sempre più precise”. E questa era un’opinione condivisa da molti scienziati. Eppure, circa un mese dopo le affermazioni di Kelvin, nella notte fra il 7 e l’8 ottobre del 1900, Max Planck scoprì la legge per la quantizzazione dell’energia – la nota formula E= hv – segnando così la nascita della Fisica Quantistica. Per la prima volta si postulava l’esistenza dei quanti di energia.

Cioè dei pacchetti discreti di energia?
Esattamente. La legge di Planck afferma che l’energia di una radiazione elettromagnetica corrisponde alla moltiplicazione fra un valore costante – che adesso chiamiamo proprio “costante di Planck” – e la frequenza della radiazione. Quindi l’energia non può essere emessa in forma continua bensì solo come una serie di pacchetti discreti.

Bohr, Einstein, Heisenberg e gli altri fisici dell’inizio del secolo scorso hanno prodotto una radicale rivoluzione concettuale nell’ambito delle scienze, con implicazioni epistemologiche rilevanti. Possiamo dire che da quel momento in poi abbiamo solo fatto scoperte e sviluppato applicazioni all’interno di quel paradigma?
Le implicazioni sull’interpretazione della realtà che derivano dalla Fisica Quantistica sono di tale portata che rimangono tuttora aperti numerosi interrogativi. Basti pensare alla doppia natura della luce, corpuscolata e ondulatoria, e alle implicazioni – in tutti i campi del sapere – che ne derivano. Quando Bohr definì il Principio di Complementarietà, affermando che questi due aspetti non si possono mai manifestare contemporaneamente – e quindi che qualsiasi esperimento che permetta di osservare l’uno impedisce di verificare l’altro – trovò un’elegante soluzione che si adattava alla descrizione del fenomeno. Rimanevano, e rimangono a oggi, non conosciute le motivazioni più profonde del perché ciò avvenga; e soprattutto, del perché avvenga in quel modo. Non è un caso che esistano differenti modelli interpretativi della Fisica Quantistica: l’Interpretazione di Copenaghen, del 1927, è uno dei più noti ma nel libro ne presento anche altri.

Relatività e Meccanica Quantistica vanno d’accordo?
Questo è uno dei problemi più interessanti che si trova ad affrontare la fisica moderna. Sono sicuramente due teorie molto distanti fra loro ma ci sono molti ricercatori che si dedicano con passione a tentare di elaborare una nuova sintesi in grado di riunire Fisica Quantistica e Relatività. Nel libro, ragionando sulla recente scoperta delle onde gravitazionali con Marco Drago, affronto questo argomento e introduco il concetto di gravitone: la particella mediatrice del campo gravitazionale secondo la Meccanica Quantistica. Il passaggio più interessante, da questo punto di vista, è che gli attuali studi sulle onde gravitazionali hanno permesso di determinare l’eventuale massa limite del gravitone.

Ma non manca proprio niente alla Fisica Quantistica?
La Fisica Quantistica fornisce un modello di rappresentazione della realtà valido in un ambito ben preciso. In pratica, descrive il comportamento della materia e delle radiazioni, comprese le interazioni reciproche, quando osserviamo fenomeni che si situano nelle scale di grandezza e di energia atomica e subatomica. Come ha ben chiarito Erwin Schrödinger quando presentò il famoso paradosso del gatto – in una serie di tre articoli dal titolo “La situazione attuale della Meccanica Quantistica” pubblicati, nel 1935, sulla rivista Die Naturwissenschaften – l’approccio al mondo quantistico e quello al mondo macroscopico sono profondamente differenti fra loro e confondere l’uno con l’altro porta al verificarsi di situazioni paradossali.

Un ultimo consiglio?
Il mio consiglio è di approcciarsi a questo testo con curiosità e di scoprire al suo interno come la scienza, troppo spesso considerata come “arida”, in realtà possa rivelarsi affascinante e in grado di fornire una nuova e meravigliosa visione del mondo!

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