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La fisica quantistica è qui.

La fisica quantistica è qui.

Una battuta di spirito, così diffusa tra gli scienziati da essere attribuita di volta in volta a fisici come Niels Bohr (1885-1962) o Richard Feynman (1918-1988) e molti altri, può essere utile come premessa: «Se credi di aver capito la meccanica quantistica, allora non hai capito la meccanica quantistica». Significa che anche gli specialisti ammettono una difficoltà intrinseca: anche se il modello quantistico è base della scienza contemporanea, utilizzato nelle tecnologie più avanzate, resta un luogo di fenomeni per noi controintuitivi, cioè che fanno a pugni con la realtà di tutti i giorni. Lo illustra il fisico Terry Rudolph nell’introduzione del suo saggio Quanti, appena uscito per Adelphi: «Questo libro si occupa di alcuni fenomeni fisici profondamente misteriosi; di come, pur senza averli davvero capiti, intendiamo impiegarli nella realizzazione di nuove meravigliose tecnologie».

Nata nel Novecento (il termine «quanto» è del Nobel per la fisica Max Planck, 1858-1947) per descrivere il comportamento a livello atomico di materia e particelle, la fisica quantistica presenta elementi per noi strani, come il dualismo onda-particella, cioè la natura duplice (onda e particella) di quel che ci circonda se visto a scale piccolissime. Come se una pallina fosse bianca e contemporaneamente nera, così come un fotone (che è un «quanto», cioè «la quantità indivisibile più piccola», del campo elettromagnetico; ma si può trattare di elettroni o altro) può comportarsi come un’onda e come una particella. Questa «sovrapposizione di stati» di per sé già strana, ha un comportamento ancora più strano proprio se cerchiamo di capirla: la «sovrapposizione» finisce quando la guardiamo (si chiama «collasso della funzione d’onda»): senza entrare nel merito, se facciamo un esperimento per osservare la pallina (teorica) e sorprenderla nella sua dualità, vedremo solo una pallina bianca oppure una pallina nera.

La questione ritorna nel «paradosso del gatto» del fisico Erwin Schrödinger (1887-1961), premio Nobel per la fisica nel 1933: un gatto del tutto immaginario viene chiuso in una scatola insieme a qualche atomo radioattivo e a una fiala di veleno ben chiusa; Schrödinger immagina che la scatola sia preparata in modo che se un atomo radioattivo decade, la fiala si spezzi e uccida il gatto, mentre se non decade il gatto resti vivo. Il paradosso è che il gatto, a un certo punto dell’esperimento, dovrebbe essere considerato insieme vivo e morto, con il 50 per cento di probabilità per ciascuna condizione, finché non apriamo la scatola e guardiamo. Ciò che è paradossale per una creatura vivente (non si può essere insieme vivi e morti), o per la realtà macroscopica, non lo è per una particella.

Nel suo libro, Terry Rudolph, che è il nipote di Schrödinger («ma l’ho saputo da adulto, ed ero già un fisico quantistico; non l’ho mai conosciuto») evita di disturbare troppo i gatti e propone un metodo di comprensione del mondo quantistico più adatto a chi non ha formazione matematica. Anzi, per una parte del libro il fisico evita di usare termini scientifici, come spiega lui stesso a «la Lettura»: «Consideriamo per esempio l’arte — dice Rudolph —. C’è qualcuno che preferirebbe leggere il commento di uno specialista per conoscere un dipinto, piuttosto che vedere il quadro? Tutti preferirebbero vederlo da sé (certo, con una guida esperta che li aiuti). Ora consideriamo la scienza: molti pensano che non ci sia modo di capire davvero i dettagli tecnici, così leggono libri di divulgazione che evitano la matematica: gli autori sono costretti a usare solo le parole per descrivere ciò che accade, e il lettore non riesce mai a provare l’emozione intellettuale di comprendere appieno qualcosa di nuovo sul mondo. Nel caso della teoria quantistica, ciò priva il lettore di ogni intuizione genuina, e porta a confonderci sulla distinzione tra la nostra descrizione matematica del mondo e ciò che “sta realmente accadendo”».

Nel saggio, Rudolph spiega la fisica quantistica servendosi di scatole immaginarie (senza gatti) e di palline bianche o nere: cose difficili come l’entanglement, la non località, i computer quantistici, sono tradotti in esperimenti immaginari con scatole e palline. Il punto di partenza è una scatola con qualche buco sopra e sotto, in modo che una pallina buttata dall’alto esca dal basso. Semplice. Solo che il fisico chiede di volta in volta di immaginare scatole con qualità speciali: ci sono scatole «not» che trasformano le palline bianche che le attraversano in palline nere, scatole «swap» che scambiano i colori delle palline, via via complicando le cose (una scatola «not» sopra una scatola «swap», e così via) — insomma, quasi un gioco, difficile ma affrontabile. Per parte del libro, Rudolph si limita a giocare con le qualità delle scatole, senza introdurre termini di fisica: niente collasso di funzione d’onda, niente non località. E niente quanti. C’è una filosofia precisa, sotto: distinguere la nostra teoria dal mondo reale. «Parole come “sovrapposizione” e “collasso” — racconta Rudolph — e persino “stato”, sono pericolose! Iniettano subito preconcetti e pregiudizi. Ciò che osserviamo realmente quando facciamo un esperimento (caso A) e quale è la matematica corretta da usare per calcolare in anticipo ciò che osserviamo (caso B), sono cose molto diverse: il caso A si svolge quando facciamo un esperimento, il caso B si svolge nel nostro cervello e sulla carta. Spesso guardiamo un calcolo di matematica e diciamo: “Immagina che questo calcolo rifletta qualcosa che sta realmente accadendo nell’esperimento laggiù”.

Cioè supponiamo che ci sia una connessione concreta tra due faccende molto diverse. Può essere una cosa valida da fare, ma può anche non esserlo». Quindi parole come «sovrapposizione», «collasso» e così via sono parole sulla matematica, non riguardano necessariamente qualcosa che sta accadendo «nel mondo». Di più: soggettività e oggettività entrano nella quantistica fin dal momento in cui sembra essere l’osservatore, osservando la pallina (o il fotone) a vederla bianca o nera. Ma il problema è più profondo, e riguarda la probabilità. «Oggi la probabilità fa parte della nostra vita (borsa, scommesse sportive, ecc.). Non è stato sempre così: lo studio preciso delle probabilità è iniziato solo nel XVI secolo con Gerolamo Cardano. E anche oggi ci sono grandi disaccordi sulla misura in cui le probabilità siano caratteristiche oggettive o soggettive del mondo.

La situazione con la teoria quantistica è molto peggiore. Gli stati quantistici (li chiamo “stati nebbiosi” nel libro) sono uno strumento per calcolare le probabilità: quando li usiamo e troviamo che “la probabilità è del 50% per la pallina (teorica) bianca e del 50% per la nera”, è allettante pensare che sia come parlare della normale teoria della probabilità per una moneta reale (50% per testa e 50% per croce): ma tale spiegazione non è possibile. Una moneta “è davvero” testa o croce. La pallina (prima d’essere osservata) non è né nera né bianca. La teoria quantistica aggiunge mistero alla probabilità, già un po’ misteriosa». Insomma, la questione secondo Rudolph è se la fisica quantistica descriva il mondo o la nostra conoscenza. «Io cerco di esporre il lettore a ciò che dev’essere spiegato e non al mio set di spiegazioni preferito. E spero che i giovani possano essere ispirati a elaborare i propri pensieri in merito. Per quel che vale, penso che la gran parte della teoria quantistica non riguardi davvero la fisica ma sia un tipo più generale di “teoria dell’inferenza” (legata alla deduzione, insomma) confusa con la fisica. Finché non separeremo le cose, credo che non faremo molti progressi». 

            ...di IDA BOZZI